Основные функции свободных пептидов в экологических взаимодействиях – защитная, нападения, сигнальная.

СВОБОДНЫЕ ПЕПТИДЫ

Основные функции свободных пептидов в экологических взаимодействиях – защитная, нападения, сигнальная.

I. Пептиды с защитной функцией

1. Глутатион

Широко распространенный трипептид, состоящий из глутаминовой кислоты, цистеина и глицина. Особенность строения – цистеин прикреплен к глутаминовой кислоте через СООН-группу, находящуюся в боковом радикале глутаминовой кислоты. Так как цистеин имеет SH-группу, глутатион обозначается как G-SH. Так же как 2 цистеина образуют цистин, две молекулы глутатиона могут образовать G-S-S-G.

Глутатион защищает: а) SH-группы цистеина в составе различных белков от окисления

б) всю клетку от воздействия H₂O₂, участвуя в ее разложении

в) от ксенобиотиков (чужеродных для клетки веществ), способствуя их переводу в водорастворимую форму и тем самым облегчая их удаление из клетки

г) входит в состав ферментов, в том числе – в состав ДДТ-дехлоргидразы, расщепляющей и обезвреживающей опасный пестицид ДДТ (д ихлор д ифенил т рихлорэтан).

2. α-Аманитин – токсин бледной поганки Amanita phalloides, защищает гриб от поедания.

Рис. 1. Внешний вид бледной поганки, формула и упрощенная схема строения α-аманитина

В составе α-аманитина– 4 белковых и 3 небелковых аминокислоты: дигидроксиизолейцин, оксипролин и триптатионин, являющийся производным триптофана и цистеина.

α-Аманитин ингибирует траскрипцию в клетках съевшего гриб животного, связываясь с РНК-полимеразой. Вызывает необратимую дисфункцию печени и почек. Для человека LD₅₀ (доза, при которой погибает 50% лиц, получивших токсин) составляет 0,1 мг/кг массы тела. В 100 г свежего гриба содержится около 10 мг α-аманитина.

3. Грамицидин S – антибиотик, выделяемый бактериями Bacillus brevis для защиты от конкурентов. Особенно сильно действует на грамм-положительные бактерии. Это циклический пептид из 10 аминокислот, в том числе – небелковых: двух D-фенилаланинов и орнитина. По механизму действия – ионофор, то есть встраивается в мембрану бактерии-конкурента, образует канал, нарушающий транспорт калия через мембрану и в результате вызывает гибель клетки.

4. Токсины яда пчел

Пчелы семейств Melittidae и Apidae для защиты от поедания, а также при защите улья используюттоксины мелиттин и апамин. Мелиттин содержит 26 аминокислот, причем в основном это гидрофобные аминокислоты, но в С-концевой области сосредоточены положительно заряженные Лиз-Арг-Лиз-Арг. Такое строение придает мелиттину свойства катионного детергента. Являясь поверхностноактивным веществом, мелиттин нарушает структуру и функции мембран, в том числе – липидный бислой.

Апамин содержит 18 аминокислот с двумя S-S-связями. Он специфично связывается с особым рецептором на мембране, отвечающим за работу калиевых каналов нервных клеток, и нарушает транспорт калия.

С-конец обоих токсинов амидирован.

II. Пептиды с функцией нападения

1. Пептид яда южноамериканской гремучей змеи Crotalus – кротамин.

Состоит из 42 аминокислот (из которых 11 – “+”-заряженных, а 6 – цистеины, образующие в третичной структуре три S-S-связи). Обладает нетипичным для змей механизмом действия на нервную систему – изменяя проницаемость натриевых каналов пресинаптической мембраны (большинство других ядов змей действуют на постсинаптическую мембрану). Кроме того, вызывает некроз мышц.

2. Токсины скорпионов

Состоят из 30 – 50 аминокислот (иногда больше, до 60, тогда уже относятся к белкам), по аминокислотной последовательности сильно отличаются от токсинов яда змей, хотя, сходно с кротамином, имеют в молекуле несколько S-S-связей (часто – четыре). Кроме того, для них характерен амидированный С-конец. Токсины яда скорпионов замедляют скорость инактивации натриевых каналов в нервных клетках.

3. Токсины морских беспозвоночных

В стрекательных клетках морских кишечнополостных животных – анемон и актиний – содержится ряд токсинов. По действию и структуре они схожи с ядом скорпиона. Типичным для анемон является токсин II из средиземноморской Anemonia sulcata. Он состоит из 47 аминокислот с тремя S-S-связями, как у гремучей змеи, но значительно отличается от кротамина большим количеством гидрофобных аминокислот.

III. Пептиды с сигнальной функцией

1. Сигналы внутри организма: гормоны.

Известно большое число гормонов пептидной природы. К типичным гормонам относят пептиды окситоцин, вазопрессин (синтезируются в задней доле гипофиза), секретин (гормон поджелудочной железы) и др. К местным или тканевым гормонам-пептидам принадлежат кейлоны, кинины (каллидин, брадикинин), гастрины. К нейропептидам относят эндорфины и энкефалины – наши внутренние “наркотики”(см. стр. 110-112 учебника).

2. Сигналы между организмами: пептидные феромоны

Среди феромонов известны вещества пептидного строения. Например, в моче самцов мышей найдены половые феромоны-релизеры пептидного строения, стимулирующие готовность самок к размножению. У бактерий имеются соединения “чувства кворума”, в том числе и пептидной природы. Они несут информацию о плотности особей (бактериальных клеток) в популяции: каждая клетка выделяет пептид, в среде пептида тем больше, чем больше клеток. Низкая концентрация пептида (то есть сигнал “клеток мало”) способствует размножению, высокая – подавляет. Это пример авторегуляции на уровне популяции.

У дрожжей имеются мейтинг-феромоны пептидного строения. Например, S-фарнезил-ундекапептид вызывает конъюгацию между гаплоидными дрожжевыми клетками, что необходимо для правильного протекания жизненного цикла ряда дрожжей.

СЛОЖНЫЕ БЕЛКИ

ГЛИКОПРОТЕИНЫ

Это сложные белки, небелковым компонентом которых является углевод. Связь между углеводным и белковым компонентами – ковалентная, может осуществляться по-разному в зависимости от вида гликопротеина. Если связь идет через β-амидный азот аспарагина (то есть N в боковом радикале) – это N-гликозидная связь. Если через ОН-группы боковых радикалов серина или треонина – это О-гликозидная связь. Если через SH-группы цистеина – это S-гликозидная связь.

По строению гликопротеины обычно делят на 2 группы – истинные гликопротеины и протеогликаны.

Истинные гликопротеины: углеводный компонент – моносахариды, не образующие повторяющихся дисахаридов. В 1 полисахаридную цепь в истинном гликопротеине может входить 15-20 разных моносахаридов, а в составе целой молекулы может быть несколько полисахаридных цепей, в том числе и разветвленных.

Протеогликаны: углеводный компонент – полисахарид с большой молекулярной массой, относящийся к типу гликозаминогликанов, по-старому – мукополисахаридов. Мономером такого полисахарида является дисахарид (например, галактоза+ацетилглюкозамин). В целом молекула протеогликана похожа на ёршик для мытья бутылок: к небольшой линейной белковой части (“стержню ершика”) присоединено очень много гликозаминогликановых цепей (длинных щетинок ”ершика”).

По функции все гликопротеины можно разделить на 2 большие группы: 1) те, которые функционируют на основе специфического узнавания за счет углеводного компонента; 2) те, для выполнения главной функции которых нужен не углеводный, а иной компонент белка.

Первая группа – углеводный компонент белка обеспечивает специфическое узнавание.

Внутри этой группы можно выделить следующие функции:

1) Передача сигнала. Гликопротеины с такой функцией – это

- рецепторы клеточных мембран. Например, инсулиновые рецепторы в мембране клеток печени, клеток жировой ткани. Если у гликопротеина – рецептора инсулина нарушить его углеводную часть (отщепить находящиеся там группировки сиаловых кислот – производных углеводов), инсулин не будет взаимодействовать с рецептором и клетка не будет способна воспринимать инсулиновый сигнал.

Рис. 1. Рецептор гормона инсулина. Четвертичная структура этого рецептора представлена четырьмя полипептидными цепями - двумя α- и двумя β-субъединицами.

Инсулин (незакрашенный кружок) связывается с α-субъединицей. Это приводит к пространственному сближению сначала α-субъединиц, а затем и β-субъединиц, в составе которых обязательно присутствуют ОН-содержащие аминокислоты тирозин (Тир) и серин (Сер). Сблизившись, β-субъединицы начинают фосфорилировать друг друга, присоединяя остатки фосфорной кислоты через ОН-группы серина и треонина (происходит автофосфорилирование с затратой АТФ). Фосфорилированные β-субъединицы начинают фосфорилировать определенные белки цитоплазмы – ферменты, а также белки с другими функциями. Фосфорилирование переводит эти белки в активную форму. В результате в цитоплазме клетки происходят реакции, меняющие ее метаболизм.

- элиситоры фитоалексинов. Элиситор – от “извлекать”, “добиваться”. Фитоалексины – это защищающие растение вещества, которые начинают синтезироваться в растении в ответ на повреждение, в том числе – при нападении фитопатогенного гриба. Например, гриб фитофтора атакует картофель. Картофель “узнает” о том, что на него напали, из-за того, что фитофтора выделяет особый гликопротеин – продукт своей жизнедеятельности. Как только этот гликопротеин оказался в тканях растения, он специфически активирует ряд генов растения, включая те, которые принимают участие в биосинтезе фитоалексинов (таких как фенолы, ядовитые для гриба). Гликопротеин гриба “добивается” синтеза фитоалексина растением, то есть является элиситором. Изменение связей или расположения любого из остатков глюкозы в углеводной части гликопротеина-элиситора приводит к потере его активности.

2) Межклеточное узнавание, правильное взаимодействие клеток.

- лектины. Лектины – это белки, обычно (но не всегда!) гликопротеины. Молекула любого лектина имеет несколько специальных связывающих участков, предназначенных для “узнавания” и “связывания” какого-то конкретного углевода в окружающей среде, но, в отличие от ферментов, не вызывает химического превращения “узнанных” углеводов. Лектин одного вида узнает, например, глюкозу, а лектин другого вида – маннозу, и т.д.. Из-за такого “узнавания” лектины способны специфически связываться с другими гликопротеинами, а также полисахаридами, не соединенными с белковой частью. С помощью лектинов и узнаваемых ими углеводов, расположенных на поверхности клеток, клетки “узнают” друг друга для правильного межклеточного взаимодействия. Это имеет место при образовании лишайников (узнают, “подходят ли друг другу” гриб и водоросль), при образовании микоризы (опознают друг друга гриб и растение), симбиотических сообществ (например, бактерии-азотфиксаторы и растение - их хозяин), при формировании других микробных сообществ и колониальных микроорганизмов (узнают друг друга два и более микроорганизма), при эмбриогенезе у животных, при регуляции клеточного деления и других межклеточных взаимодействиях внутри многоклеточного организма.

Позднее установили, что лектины есть не только в растениях, а также узнали и о других свойствах лектинов.

3) Защитная функция.

Некоторые (но, конечно, не все) гликопротеины растений являются токсинами для поедающих их животных – это пример защиты растений от уничтожения представителями последующего звена пищевой цепи.

Так, есть растительные лектины, которые у млекопитающих вызывают склеивание (гемагглютинацию) и осаждение эритроцитов. Поэтому такие лектины называют еще гемагглютининами. Молекула гемагглютинина одновременно связывается с несколькими эритроцитами (через углеводную часть гликопротеинов, входящих в состав мембраны эритроцита) и тем самым вызывает их слипание, в результате которого эритроциты выпадают в осадок.

Другой механизм действия демонстрирует токсин клещевины белок рицин (см. рис. 2). Он не вызывает гемагглютинацию, а нарушает синтез белка у животного, съевшего клещевину. Рицин - глобулярный гликопротеин, четвертичная структура которого представлена двумя субъединицами - А и В (спирали-“ленты” разного цвета), соединенных S-S-связью. Субъединицы состоят из аминокислотных остатков и небольшой доли сахаров (2 серые циклические структуры). Субъединица B “узнает” концевой углевод (β-галактозу) в составе молекулы рецептора (сложного белка) на поверхности клетки съевшего клещевину животного и связывается с этим углеводом. Это связывание вызывает расщепление S-S-связи, и субъединица A проникает в клетку, где, присоединившись к большой субъединице рибосом, останавливает синтез белка в клетках животного.

Клещевина – растение, образующее рицин

Рис. 2. Токсичный белок клещевины – рицин.

ЛД 50 - 0,003 мг на кг (человек, перорально). Малоустойчив в водных растворах. Не проникает через кожу. Субъединицы сами по себе нетоксичны, токсическое действие проявляется только при совместном действии обеих субъединиц. Однако, будучи порознь введенными в организм, субъединицы самопроизвольно соединяются, и молекула рицина реконструируется, проявляя весь спектр токсического действия нативного токсина.

Защитные гликопротеины есть и у других организмов. Так, гриб фитофтора способен противостоять фитоалексинам картофеля, выделяя защитные гликопротеины. Эти гликопротеины обезвреживают фитоалексин, и гриб продолжает паразитировать на картофеле. Аналогично другой фитопатогенный гриб, вызывающий болезнь злаков – антракноз – в слизи и спорах содержит гликопротеин, связывающий, а в результате – обезвреживающий фитоалексины злака.

4) Нападения – бактерия Streptococcus sangius, вызывающая перидонтит, адгезируется на тканях ротовой полости человека с помощью лектинов, специфично опознающих углеводные фрагменты муцинов слюны. Это способствует поражению хозяина.

Вторая группа – углеводный компонент стабилизирует молекулу гликопротеина и предохраняет ее от разрушения ферментами, другими химическими или физическими факторами.

1) Ферменты.

Многие ферменты в своем составе имеют углеводную часть. Например, глюкозооксидаза (студентам биофака см. лабораторную работу на практических занятиях), фенолоксидаза грибов, имеющий оксидазную функцию церулоплазмин крови и др. Углеводный компонент повышает стабильность молекулы фермента, затрудняет их разрушение ферментами протеазами.

Рис. 3. Фенолоксидаза (из гриба Melanocarpus albomyces). Углеводная часть показана черными ломаными линиями в циклических структурах, атомы меди – желтыми шариками в центре молекулы.

2) Транспортная функция. Гликопротеины крови трансферрин (переносит железо) и церулоплазмин (переносит медь).

3) Защита.

Защиту от инфекции осуществляют, например, гликопротеины с углеводным компонентом, содержащим гиалуроновую кислоту. Они образуют очень вязкие растворы, через которые трудно проникнуть инфекционным агентам, а у многих бактерий гликопротеины с гиалуроновой кислотой входят в состав защитной капсулы.

Рис. 4. Гиалуроновая кислота

Также защитными гликопротеинами являются иммуноглобулины – антитела. Антитела – это растворимые гликопротеины плазмы крови, синтезируемые иммунной системой организма при взаимодействии B-лимфоцитов, Т-лимфоцитов и макрофагов. Углеводный фрагмент антител защищает их от преждевременного распада под действием ферментов.

Подробно изучена структура IgG (см. рис.). Он имеет Y-образную форму и тетрамерное строение; состоит из двух идентичных легких L-цепей (от англ. light) и двух идентичных тяжелых Н-цепей (от англ. heavy) с мол. массой 23000–24000 и 50000–70000 соответственно. Цепи скреплены между собой S-S-связями. Аминокислотные последовательности цепей делят на константные участки (С-домены) и вариабельные (V-домены). В C-доменах последовательность аминокислот остается всегда одной и той же у всех антител определенного вида, а в V-доменах последовательность аминокислот сильно варьирует от молекулы к молекуле. Внутри V-доменов есть область – гипервариабельная – где изменения в аминокислотной последовательности наиболее часты.

Из-за того, что антитела собираются из 4 полипептидных цепей и из-за того, что в цепях имеются участки с варьирующей структурой, возможно огромное количество разных комбинаций этих компонентов и огромное количество разных по строению антител. Поэтому у организма имеется возможность “создать” свое собственное антитело для каждого попавшего в организм антигена.

О функционировании антител биологам смотреть параграф в учебнике.

Интерфероны. Интерфероны – это ингибиторы размножения многих типов вирусов. Открыто несколько типов интерферонов (α, β и γ), некоторые из них получены методами генетической инженерии. Это сравнительно небольшие сложные белки с мол. массой у разных видов животных и человека от 25000 до 38000–40000). Они образуются в клетке в ответ на внедрение вирусной нуклеиновой кислоты, ограничивая вирусную агрессию (инфекцию). Интерфероны наделены антипролиферативной активностью и считаются основными защитными белками не только против вирусной инфекции, но и при опухолевых поражениях.

Защиту от механических и химических воздействий осуществляют многие гликопротеины хрящей, суставов и др. соединительных тканей (защита от трения), муцины слюны, желудка, кишечника (защита от агрессивной химической среды).

Защита от температурных воздействий обеспечивается гликопротеинами - антифризами, найденными в крови арктических рыб и в слизи ранневесенних луковичных растений (гиацинты, тюльпаны, сциллы и др.). Они понижают точку замерзания и препятствуют образованию кристаллов льда в клетках и тканях. Высокомолекулярные гликопротеины-антифризы адсорбируются на образовавшихся мельчайших (и поэтому не опасных) внутриклеточных кристаллах льда, не давая им расти. Это очень эффективные криопротекторы. Высокомолекулярные антифризы составляют значительную часть от веса всех жидкостей, и в их присутствии температура замерзания раствора ниже, чем температура таяния. У антарктических рыб антифризы постоянно присутствуют в жидкостях тела (около 3,5% от веса всех биологических жидкостей), что определяется генотипическими механизмами. У других организмов они образуются в зависимости от сезонных колебаний температуры окружающей среды (фенотипическая адаптация). Синтез антифризов регулируется как экзогенно (при участии температуры среды и длительности светового дня), так и эндогенно (контролируется гипофизом).

Один из путей защиты от иссушения – также накопление гликопротеинов, но таких, которые способны связывать большое количество воды. Так, например, - у многих кактусов. Некоторые протеогликаны соединительных тканей животных (хондроитинсульфаты) также способны набухать с поглощением большого количества воды и являться, таким образом, депо воды.

Гликопротеинами с защитной функцией являются также белки – компоненты системы свертывания крови у человека и животных.

.

Дата добавления: 2015-10-21