Функції білка в організмі

Структура та рух

Рисунок 6.9 Будова колагену

Колагенова потрійна спіраль від Nevit Dilmen/CC BY-SA 3.0

Ферменти

Хоча білки знаходяться в найбільшій кількості в сполучних тканинах, таких як кістки, їх надзвичайна функція - це ферменти. Ферменти - це білки, які проводять специфічні хімічні реакції. Завдання ферменту полягає в тому, щоб забезпечити місце для хімічної реакції та зменшити кількість енергії та часу, необхідного для того, щоб відбулася така хімічна реакція (це називається "каталіз"). В середньому щосекунди в клітинах відбувається більше ста хімічних реакцій, і більшість з них потребують ферментів. Лише печінка містить понад тисячу ферментних систем. Ферменти специфічні і використовуватимуть лише певні субстрати, які вписуються в їх активний сайт, подібно до того, як замок можна відкрити лише за допомогою певного ключа. Майже кожна хімічна реакція вимагає певного ферменту. На щастя, фермент може виконувати свою роль каталізатора знову і знову, хоча з часом він руйнується і перебудовується. Усі функції організму, включаючи розщеплення поживних речовин у шлунку та тонкому кишечнику, перетворення поживних речовин у молекули, які може використовувати клітина, та побудова всіх макромолекул, включаючи сам білок, залучають ферменти (див. Рисунок 6.10 “Роль ферментів у перетравленні вуглеводів”).

Рисунок 6.10 Роль ферментів у перетравленні вуглеводів

Гормони

Білки відповідають за синтез гормонів. Гормони - це хімічні повідомлення, що виробляються залозами внутрішньої секреції. Коли ендокринна залоза стимулюється, вона виділяє гормон. Потім гормон транспортується в крові до клітини-мішені, де він передає повідомлення про ініціювання певної реакції або клітинного процесу. Наприклад, після їжі рівень глюкози в крові підвищується. У відповідь на підвищення рівня глюкози в крові підшлункова залоза виділяє гормон інсулін. Інсулін повідомляє клітинам організму, що глюкоза доступна, і витягувати її з крові і зберігати або використовувати для виробництва енергії або побудови макромолекул. Головною функцією гормонів є увімкнення та вимкнення ферментів, тому деякі білки можуть навіть регулювати дії інших білків. Хоча не всі гормони виготовляються з білків, багато з них є.

Рідкий та кислотно-лужний баланс

Правильне споживання білка дозволяє основним біологічним процесам організму підтримувати статус-кво в мінливих умовах. Баланс рідини означає підтримку розподілу води в організмі. Якщо занадто багато води в крові раптово потрапляє в тканину, результатом є набряк і, можливо, загибель клітин. Вода завжди тече із зони високої концентрації до зони низької концентрації. Як наслідок, вода рухається до областей, де є більша концентрація інших розчинених речовин, таких як білки та глюкоза. Щоб забезпечити рівномірний розподіл води між кров’ю та клітинами, білки безперервно циркулюють при високій концентрації в крові. Найбільш поширеним білком у крові є білок у формі метелика, відомий як альбумін. Присутність альбуміну в крові робить концентрацію білка в крові подібною до концентрації білка в клітинах. Тому обмін рідини між кров’ю та клітинами не є крайнім, а зведений до мінімуму, щоб зберегти статус-кво.

Малюнок 6.11 Білковий альбумін

PDB 1o9x EBI Джавахара Сумінанатана та співробітників MSD з Європейського інституту біоінформатики/Public Domain Білок у формі метелика, альбумін, має багато функцій в організмі, включаючи підтримку рідинного та кислотно-лужного балансу та транспортування молекул.

Білок також має важливе значення для підтримки належного балансу рН (міри, наскільки кислотна або основна речовина) у крові. РН крові підтримується між 7,35 і 7,45, що є трохи базовим. Навіть незначна зміна рН крові може вплинути на функції організму. Нагадаємо, що кислі умови можуть спричинити денатурацію білка, що зупиняє функціонування білків. Організм має кілька систем, які утримують рН крові в межах норми, щоб запобігти цьому. Одним з них є циркулюючий альбумін. Альбумін є слабокислим, і оскільки він заряджений негативно, він врівноважує безліч позитивно заряджених молекул, таких як протони (Н +), кальцій, калій і магній, які також циркулюють у крові. Альбумін діє як буфер проти різких змін концентрацій цих молекул, врівноважуючи тим самим рН крові та підтримуючи статус-кво. Білок гемоглобін також бере участь у кислотно-лужному балансі, зв'язуючи та вивільняючи протони.

Транспорт

Альбумін і гемоглобін також відіграють роль у молекулярному транспорті. Альбумін хімічно зв’язується з гормонами, жирними кислотами, деякими вітамінами, необхідними мінералами та ліками і транспортує їх по системі кровообігу. Кожна еритроцит містить мільйони молекул гемоглобіну, які зв’язують кисень у легенях і транспортують його до всіх тканин організму. Плазматична мембрана клітини зазвичай не проникна для великих полярних молекул, тому для надходження необхідних поживних речовин і молекул у клітину в клітинній мембрані існує багато транспортних білків. Деякі з цих білків є каналами, які дозволяють певним молекулам рухатися всередину і виходити з клітин. Інші діють як односторонні таксі і потребують енергії, щоб функціонувати.

Захист

Рисунок 6.12 Білки антитіл

Абаговомаб (моноклональні антитіла) від Blake C/CC BY-SA 3.0

Рисунок 6.13 Антигени

Ланцюжки антитіл Фреда Устриці/Public Domain

Білок антитіла складається з двох важких ланцюгів і двох легких ланцюгів. Варіабельна область, яка відрізняється від одного антитіла до іншого, дозволяє антитілу розпізнавати свій відповідний антиген.

Раніше ми обговорювали, що сильні колагенові волокна в шкірі забезпечують її структуру та підтримку. Щільна мережа шкіри з колагенових волокон також служить заслоною проти шкідливих речовин. Функції атаки та руйнування імунної системи залежать від ферментів та антитіл, які також є білками. Фермент під назвою лізоцим виділяється в слині і атакує стінки бактерій, викликаючи їх розрив. Деякі білки, що циркулюють у крові, можуть бути спрямовані на створення молекулярного ножа, який забиває клітинні мембрани сторонніх загарбників. Антитіла, що виділяються білими кров'яними клітинами, обстежують всю систему кровообігу в пошуках шкідливих бактерій та вірусів, щоб оточити та знищити. Антитіла також викликають інші фактори імунної системи для пошуку та знищення небажаних зловмисників.

Загоєння ран та регенерація тканин

Білки беруть участь у всіх аспектах загоєння ран, процес протікає у три фази: запальну, проліферативну та ремоделюючу. Наприклад, якщо ви шили і кололи палець голкою, ваша м’якоть почервоніла і запалилася. Протягом декількох секунд кровотеча зупиниться. Процес загоєння починається з таких білків, як брадикінін, які розширюють судини в місці пошкодження. Додатковий білок, який називається фібрином, допомагає забезпечити тромбоцити, які утворюють згусток, щоб зупинити кровотечу. Далі, на фазі проліферації, клітини переміщуються і виправляють пошкоджені тканини, встановлюючи нещодавно виготовлені колагенові волокна. Колагенові волокна допомагають з’єднати краї рани. На фазі ремоделювання відкладається більше колагену, утворюючи рубець. Тканина рубців лише приблизно на 80 відсотків така ж функціональна, як звичайна неушкоджена тканина. Якщо дієти недостатньо білка, процес загоєння ран помітно сповільнюється.

Хоча загоєння ран відбувається лише після отримання травми, в організмі триває інший процес, який називається регенерацією тканин. Основна відмінність між загоєнням ран і регенерацією тканин полягає в процесі регенерації точної структурно-функціональної копії втраченої тканини. Таким чином, стара, відмираюча тканина замінюється не рубцевою, а абсолютно новою, повністю функціональною. Деякі клітини (такі як шкіра, волосся, нігті та клітини кишечника) мають дуже високу швидкість регенерації, тоді як інші (наприклад, клітини серцево-м'язових та нервових клітин) не відновлюються на будь-якому помітному рівні. Регенерація тканин - це створення нових клітин (поділ клітин), для чого потрібно багато різних білків, включаючи ферменти, які синтезують РНК і білки, транспортні білки, гормони та колаген. У волосяному фолікулі клітини діляться, а волосся росте в довжину. Зростання волосся в середньому становить 1 сантиметр на місяць, а нігті - близько 1 сантиметра кожні сто днів. Клітини, що вистилають кишечник, відновлюються кожні три-п’ять днів. Недостатня кількість білка дієти погіршує регенерацію тканин, спричиняючи багато проблем зі здоров’ям, включаючи порушення травлення та засвоєння поживних речовин, і, що найвидніше, ріст волосся та нігтів.

Виробництво енергії

Деякі амінокислоти в білках можна розібрати та використати для отримання енергії (Рисунок 6.14 “Амінокислоти, що використовуються для отримання енергії”). Лише близько 10 відсотків харчових білків щодня катаболізуються для отримання клітинної енергії. Печінка здатна розщеплювати амінокислоти до вуглецевого скелета, який потім може надходити в цикл лимонної кислоти. Це схоже на спосіб, яким глюкоза використовується для отримання АТФ. Якщо дієта людини не містить достатньо вуглеводів і жирів, їх організм буде використовувати більше амінокислот для вироблення енергії, що порушує синтез нових білків і руйнує м’язові білки. Як варіант, якщо дієта людини містить більше білка, ніж потрібно організму, зайві амінокислоти будуть розщеплюватися і перетворюватися на жир.

Рисунок 6.14 Амінокислоти, що використовуються для енергетики

Зображення Еллісон Калабрезе/CC BY 4.0