Взаимосвязан­ная и нормальная жизнедеятельность всех составных час­тей организма человека возможна только при условии сохранения относительного физико-химического постоян­ства его внутренней среды, которая включает три компо­нента: кровь, лимфу и межтканевую жидкость, непосред­ственно омывающую клетки.

Сохранение относительного физико-химического по­стоянства внутренней среды организма называют гомеостазом . Важную роль в сохранении этого постоянства иг­рает гуморальная и нервная регуляция функций.

Гуморальная , или жидкостная (от лат. humor - жид­кость), регуляция функций появилась еще на первых эта­пах эволюции животных организмов. Она была связана со способностью клеток изменять интенсивность процес­сов жизнедеятельности в зависимости от изменения физико-химических параметров среды. Например, изменяя в крови и межтканевой жидкости концентрацию ионов водо­рода или солей различных металлов можно стимулиро­вать или тормозить процессы жизнедеятельности в клет­ках и тканях.

Гуморальная регуляция осуществляется с помощью веществ, которые поступают в кровь и лимфу, а оттуда разносятся по всему организму. К этим веществам относятся:

1) гормоны, выделяемые железами внутренней секреции, способные активировать или тормозить функциональную деятельность органов и систем;

2) физиологически активные вещества (метаболиты), появляющиеся в результате обмена веществ (промежуточные продукты);

3) медиаторы – продукты, возникающие в процессе возбуждения в нервных окончаниях, осуществляют передачу нервного импульса с одних нервных клеток на другие, а также на клетки периферических органов.

Все процессы в тканях, органах и в организме в целом регулируются с помощью химических веществ. Многие из них способны оказывать воздействие в очень малых дозах, поэтому их называют биологически активными веществами.

В организме есть специальные органы, вырабатывающие эти вещества – это железы (рис. 2.2).

К железам внутренней секреции относятся: гипофиз, надпочечники, щитовидная, поджелудочная железы, паращитовидная, половые и т.д.

Смешанные железы одновременно выполняют внешнесекреторную и внутрисекреторную функции. К ним относятся поджелудочная и половые железы.

Гормоны (от греч. hormao – побуждаю, привожу в действие) – биологически активные вещества, выделяемые железами внутренней секреции.

Свойства гормонов:

1. Орган, на который действуют гормоны, может быть расположен далеко от желез.

2. Гормоны действуют только на живые клетки.

3. Действие гормонов строго специфично: некоторые действуют лишь на определенные органы-мишени, другие влияют на строго определенный тип обменных процессов.

4. Обладают высокой биологической активностью и оказывают действие в очень малых концентрациях.

Функции гормонов:

1. обеспечивают рост и развитие организма;

2. обеспечивают адаптацию организма к постоянно меняющимся условиям окружающей среды;

3. обеспечивают гомеостаз;

4. контролируют процессы обмена веществ;

5. определяют наступление полового созревания;

6. участвуют в молекулярных механизмах передачи наследственной информации и в определении периодичности некоторых функциональных процессов организма – биологических ритмов (это доказано в последние годы).

На разных ступенях эволюционного развития доля участия химической регуляции не одинакова: чем сложнее организм, тем меньше роль принадлежит в нем химической регуляции и больше нервной. У человека гуморальная регуляция не существует независимо от нервной.

Нервная регуляция осуществляется с помощью рефлекторных актов, возникающих при раздражении рецепторов химическими веществами (гистамином, ацетилхолином и т. д.).

Учение о ведущей роли нервной системы в обеспечении целостности организма разработал И.П. Павлов: физиологические процессы в целостном организме возникают соответственно тем влияниям, которые передаются из ЦНС. Благодаря тому, что все органы и ткани пронизаны нервными окончаниями, связь в организме осуществляется согласованно, соответственно действию раздражителей и сравнительно быстро. Передача нервных импульсов (электрических сигналов) осуществляется рефлекторно.

Рефлекс – ответная реакция организма на раздражение рецепторов, осуществляющаяся при участии НС.

Значение рефлекса: с их помощью устанавливается взаимодействие различных систем целостного организма и его адаптация к постоянно меняющимся условиям среды.

В биологическом отношении рефлекс – приспособительная реакция.

Путь, по которому проходят импульсы, вызывающие появление рефлекса, называется рефлекторной дугой (рис. 2.2).

Звенья рефлекторной дуги:

1) чувствительные нервные окончания (рецепторы), воспринимающие раздражение и преобразующие его в нервный импульс;

2) центростремительные (чувствительные, афферентные) нервы, передающие возбуждение от рецептора в ЦНС;

3) нервный центр – возбуждение переключается с чувствительных нейронов на двигательные;

4) центробежные (двигательные, эфферентные) нервы, по которым импульсы проводятся к периферическому органу;

5) рабочий орган (эффектор), выполняющий ответную реакцию.

Однако рефлекторная дуга отражает только ответную реакцию организма. В действительности на этом рефлекторный акт не заканчивается. Он переходит в оценку нервной системой тех результатов, которые были получены. Если бы от каждого этапа проводимых действий не поступало бы информации о том, как выполняется действие и соответствует ли оно исходному замыслу, то согласованной деятельности в организме получить было бы нельзя. Например, человек должен взять карандаш. Если основываться на представлении о рефлекторной дуге, то рефлекторное действие закончится взятием предмета. Но ведь человек может случайно взять не карандаш, а ручку. В этом случае он исправит свою ошибку и возьмет карандаш. Значит вновь будут возникать эфферентные раздражители, которые должны опять поступать в ЦНС.

В соответствии с этим представлением рефлекторная реакция имеет не дугообразный, а кольцевой путь , поэтому следующими звеньями будут:

6) обратная афферентация (передача импульсов от исполнительного органа);

7) новая мозговая работа, уточняющая приказы исполнительным органам.

Таким образом, осуществляется принцип обратной связи.

Вся деятельность человека осуществляется рефлекторно. По принципу рефлекса осуществляется: отделение слюны в ответ на раздражение вкусовых рецепторов, мигание – при раздражении рецепторов в роговице глаза и т.д. Эти реакции являются врожденными, передающимися по наследству, называются безусловными. Другую группу составляют рефлексы, возникающие в определенных условиях в процессе индивидуального развития организма – это приобретенные или условные рефлексы.

Итак, между мозгом и всеми органами существует двусторонняя связь: от органов к мозгу и от мозга к органам. Благодаря этой связи мозг обеспечивает соответствие работы органов потребностям организма.

В организме гуморальная и нервная регуляция функций тесно связаны, и целесообразнее говорить о единой нервно-гуморальной регуляции организма, которая обеспечивает важную особенность организма – способность к саморегуляции жизнедеятельности, т. е. при любом отклонении от нормального состава внутренней среды организма включаются нервные и гуморальные процессы, возвращающие его к исходному уровню. Именно эта способность обеспечивает поддержание в организме гомеостаза. Например, регуляция темпе­ратуры тела человека. Температура тела может отклоняться от нормального уровня (36,5 °С) в результате различных воздействий: патологических процессов, холо­да, физической работы и т. д. Изменение температуры те­ла, например ее увеличение, регистрируется специальными нервными приспособлениями в животных организмах — рецепторами. От рецепторов «сообщение» об увеличении температуры тела поступает в централь­ные отделы нервной системы — главный регулирующий орган.

Moзг принимает «решение» и «выдает» соответ­ствующие «распоряжения», деятельность организма изме­няется: обмен веществ в клетках снижается и уменьшается производство энергии, т. е. теплопродукция уменьшается. Одновременно в организме увеличивается теплоотдача: кровеносные сосуды кожи расширяются, и увеличивается потоотделение, в результате тело отдает больше тепла в окружающую среду. Принятые «меры» не толь­ко возвращают температуру тела к своему нормальному уровню, но и приводят к ее снижению. Снижение темпера­туры тела регистрируется рецепторами, и происходят об­ратные изменения. В итоге температура нашего тела ко­леблется в незначительных пределах и является величи­ной относительно постоянной. Стабилизация температуры осуществляется благодаря динамическому равновесию двух противоположных процессов, вызывающих ее сниже­ние или увеличение.

Нервная система – совокупность специальных структур, объединяющая и координирующая деятельность всех органов и систем организма в постоянном взаимодействии с внешней средой.

Значение нервной системы:

1) обеспечивает согласованную работу всех органов и систем организма. Например, сокращение скелетных мышц, регуляция тонуса сосудов, сердечных сокращений;

2) обеспечивает единство организма. При изменении деятельности одного органа, изменяется деятельность других;

3) осуществляет ориентацию организма во внешней среде и приспособительные реакции на ее изменения;

4) обеспечивает связь организма со средой;

5) составляет материальную основу психической деятельности: речь, мышление, социальное поведение.

И.П. Павлов говорил, что нервная система – распорядитель и распределитель всех функций в организме.

Классификация отделов нервной системы:

По функциям:

1. соматическая – осуществляет связь организма с внешней средой: воспринимает раздражения, регулирует сокращения поперечно-полосатой мускулатуры и т. д. Она подчинена воле человека;

2. вегетативная – регулирует обмен веществ и деятельность внутренних органов, обеспечивает согласованность функционирования сердечно-сосудистой, пищеварительной и других систем, трофическую иннервацию скелетных мышц. Она не подчинена воле человека.

Вегетативная нервная система (ВНС) делится на 2 отдела:

2.1. симпатическая нервная система – включается во время интенсивной работы, требующей затраты энергии;

2.2. парасимпатическая нервная система – способствует восстановлению запасов энергии во время сна и отдыха.

ВНС осуществляет 2 влияния:

1. функциональное – влияние, изменяющее деятельность тканей и органов (например, усиление или ослабление перистальтики кишечника);

2. трофическое – изменение обмена веществ в органах и тканях, процессов питания.

Регулирующее влияние на ВНС оказывает кора больших полушарий через нижележащие отделы головного мозга, в частности через продолговатый мозг и гипоталамус.

Оба отдела ВНС действуют совместно, взаимно дополняют друг друга под контролем коры больших полушарий, этим обеспечивается согласованная деятельность органов и систем.

Действие отделов вегетативной нервной системы

	Симпатическая нервная	Парасимпатическая нервная система
Кишечник Потовые железы Кол-во сахара в крови Потребление О2	Учащает сокращения Сужаются, АД­ Уменьшается перистальтика Усиливают секрецию Расширяется Увеличивается Увеличивается	Замедляет сокращения Расширяются, АД¯ Усиливается перистальтика Не влияет Сужается Уменьшается Уменьшается

Нервы - скопления отростков нервных клеток вне ЦНС, заключенные в общую соединительно-тканную оболочку и проводящие нервные импульсы:

а) чувствительные – образованы дендритами чувствительных нейронов;

б) двигательные – аксонами двигательных нейронов;

в) смешанные нервы – аксонами и дендритами;

г) нервные узлы – скопления тел нейронов вне ЦНС.

Возбуждение передается с помощью нервных импульсов. Нервный импульс – электрический сигнал, распространяющийся по клеточным мембранам.

Нервная система состоит из :

1. нейронов (нервных клеток) – структурная и функциональная единица нервной ткани. Функции: восприятие, проведение, обработка информации;

2. нейроглии (опорных, Шванновских клеток). Функции: опора, защита, питание нейронов.

Рис. 2.4. Схема строения нервной клетки

Нейрон имеет тело и отростки.

В теле имеется ядро, тигроидное вещество (гранулы, в которых образуются медиаторы), митохондрии.

Отростки:

Дендриты – чувствительные отростки; их количество может составлять от 1 до 1000.

Аксон – двигательный отросток, всегда один, длина до 1 м.

Отростки нейронов, покрытые оболочками – нервное волокно . Нервные волокна, соединяясь, формируют нервные пучки , которые образуют нервы . Тела нервных клеток, лежащие за пределами ЦНС, образуют нервные узлы (ганглии) .

Классификации нейронов:

В зависимости от функций:

1. чувствительные – к ним поступает возбуждение от рецепторов, и они передают его в ЦНС;

2. двигательные – передают возбуждение от чувствительной клетки на рабочий орган;

3. вставочные (ассоциативные) – соединяют чувствительные и двигательные нейроны.

В зависимости от числа отростков (рис. 2.5):

1. мультиполярные имеют много дендритов;

2. биполярные – один дендрит, один аксон;

3. униполярные (псевдоуниполярные) – один отросток.

Рис. 2.5. Типы нейронов по строению

Нейроны обладают способностью к передаче возбуждения благодаря синапсам.

Синапс (от греч synapsis – соединение, связь) – структура, обеспечивающая морфофункциональную связь аксонного окончания одного нейрона с другим нейроном или телом нервной клетки.

Классификация синапсов:

По локализации:

1. аксосоматические – между телом нервной клетки и аксоном;

2. аксодендритические – между аксоном одной нервной клетки и дендритом другой;

3. аксоаксональные – между аксонами нервных клеток.

По структуре:

1. межнейронные;

2. рецепторно-нейронные;

3. нейроэффекторные (например, нервно-мышечный синапс).

По механизму передачи:

1. химические – посредством медиаторов;

2. электрические – посредством электрического импульса;

3. смешанные.

По знаку действия:

1. возбуждающие;

2. тормозные.

Синапс состоит из пресинаптической, постсинаптической мембран и синаптической щели (рис. 2.6).

Мозг состоит из серого и белого вещества:

Серое вещество – скопление тел нейронов. В спинном мозге расположено в центре, в головном – распределено на поверхности.

Белое вещество – состоит из нервных волокон, покрытых оболочками.

Головной и спинной мозг покрыт тремя оболочками :

1. твердой – наружной, соединительно-тканной, выстилающей внутреннюю полость черепа и позвоночного канала;

2. паутинной – распределена под твердой – тонкая оболочка с небольшим количеством нервов и сосудов;

3. сосудистой – сращена с мозгом, содержит много кровеносных сосудов. Между паутинной и сосудистой оболочками образуются полости, заполненные жидкостью.

Функции оболочек мозга:

1. служат для защиты нервной ткани от механических повреждений;

2. являются барьером, препятствующим проникновению микробов и различных веществ в мозг;

3. содержит кровеносные сосуды, участвующие в секреции спинномозговой жидкости.

Спинной мозг находится в позвоночном канале и представляет собой тяж длиной 45 см, диаметром 1 см, который вверху переходит в продолговатый мозг, а внизу заканчивается на уровне двойного поясничного позвонка.

Имеет два утолщения: шейное и поясничное – от них отходят нервы к конечностям. Двумя бороздами спинной мозг делится на правую и левую половины.

Серое вещество распределяется в центре вокруг спинномозгового канала и на поперечном разрезе имеет вид крыльев бабочки (рис. 2.7). Части этой «бабочки» называются рогами . Выделяют передние, боковые и задние рога. Белое вещество окружает серое.

От спинного мозга отходит тридцать одна пара спинно-мозговых нервов. Каждый нерв начинается двумя корешками – передними и задними:

- задние корешки – чувствительные, состоят из отростков центростремительных нейронов. Их тела распределены в спинномозговых узлах;

- передние корешки – двигательные, состоят из отростков центробежных нейронов. Тела распределены в передних рогах.

На выходе из спинного мозга передние и задние корешки сливаются и образуют смешанный спинномозговой нерв. По кол-ву спинномозговых нервов спинной мозг делят на тридцать один сегмент.

Функции спинного мозга:

1. Рефлекторная – принимает участие в двигательных реакциях (сгибание, разгибание и т.д.). Каждый рефлекс осуществляется при участии строго определенного участка ЦНС – нервного центра.

Нервный центр – совокупность нервных клеток, расположенных в одном из отделов мозга и контролирующих деятельность какого-либо органа или системы. Состоит из вставочных нейронов. В него поступают нервные импульсы от рецепторов и формируются импульсы, передающиеся на исполнительный орган.

Например, центр коленного рефлекса (безусловный рефлекс) – в поясничном отделе спинного мозга (вызывается поколачиванием по расположенному под кожей сухожилию четырехглавой мышцы), центр мочеиспускания – в крестцовом, центр расширения зрачка – в верхнегрудном сегменте спинного мозга.

2. Проводниковая – белое вещество, образует проводящие пути, по которым передаются нервные импульсы в двух направлениях:

По восходящим путям – от рецепторов кожи, мышц, внутренних органов в головной мозг;

По нисходящим – из головного мозга в спинной, а затем на периферию – к органам.

Рис. 2.7. Строение сегмента спинного мозга

Деятельность спинного мозга находится под контролем головного мозга.

Головной мозг располагается в мозговом отделе черепа. Его вес 1300 — 1500 г (до 2000 г).

В головном мозге различают шесть отделов (рис. 2.8): продолговатый мозг, мост, мозжечок, средний, промежуточный мозг и кора больших полушарий (КБП).

Головной мозг делится на стволовую часть (продолговатый, средний, промежуточный мозг) и полушария (рис. 2.8).

В мозге — четыре сообщающихся между собой полости – мозговые желудочки , заполненные жидкостью. Первый и второй желудочки – в больших полушариях, третий – в промежуточном, четвертый — в заднем мозге.

От головного мозга отходят двенадцать пар черепно-мозговых нервов.

По функциям нервы делятся:

1. чувствительные (обонятельный, зрительный, слуховой);

2. двигательные (блоковый, отводящий, подъязычный);

3. смешанные (тройничный, блуждающий).

СТВОЛ МОЗГА

Продолговатый мозг является продолжением спинного мозга, сохраняет его строение и форму; состоит из белого вещества, в котором располагаются скопления серого вещества – ядра. От ядер берут начало черепно-мозговые нервы с IX по XII пары (IX – языкоглоточный; X — блуждающий; XI — добавочный, XII — подъязычный). Эти нервы иннервируют мышцы языка (XII), сердца, желудок, дыхательные органы (X), мышцы шеи (XI). Здесь находятся центры жевания, сосания, глотания, слюноотделения, кашля, чихания, рвоты.

Вследствие повреждения продолговатого мозга может наступить смерть в результате прекращения дыхания и деятельности сердца.

Например, дыхательный центр – образован несколькими группами клеток, расположенными в разных отделах продолговатого мозга. В дыхательном центре вентрально лежит центр вдоха, дорсально – центр выдоха. Импульсы из дыхательного центра поступают в спинной мозг, иннервирующий диафрагму и межреберную мускулатуру.

Функции продолговатого мозга:

1. проводниковая – связь спинного и вышележащих отделов головного мозга (передача импульсов);

2. регуляторная – регуляция дыхания, сердечно-сосудистой системы, деятельности сердца, пищеварения;

3. рефлекторная – рефлексы (сосания, дыхания, моргания, кашель и т.д.).

Варолиев мост – небольшая часть мозга между продолговатым и средним мозгом. Состоит из множества волокон, образующих проводящие пути. В веществе моста находятся ядра V-VIII пары ЧМН (V — тройничный нерв, VI — отводящий, VII — лицевой, VIII — слуховой).

Функции варолиева моста:

1. проводниковая – содержит восходящие и нисходящие нервные пути и нервные волокна, соединяющие полушария мозжечка между собой и с корой больших полушарий;

2. рефлекторная – отвечает на вестибулярные и шейные рефлексы, регулирующие тонус мышц, в том числе мимических, орган слуха.

Мозжечок – находится позади продолговатого мозга. Серое вещество расположено на поверхности и образует кору мозжечка. Белое вещество – в глубине. В толще белого вещества имеются ядра серого. Мозжечок состоит из двух полушарий, соединенных червем.

Функции мозжечка:

1. координация движений, поддержание тонуса мышц, равновесия. При поражении его изменяется походка, снижается тонус мышц;

2. участвует в регуляции вегетативной функции (состава крови, желудочно-кишечного тракта).

Средний мозг расположен впереди варолиева моста. Состоит из четверохолмия и ножек мозга. В центре его расположен узкий канал – водопровод мозга . Он окружен серым веществом. В четверохолмии расположены первичные (подкорковые) зрительные слуховые центры. В ножках мозга - ядра III (глазодвигательного) и IV (блокового) нервов. В среднем мозге находится черная субстанция (регулирует глотание и жевание), красное ядро (регулирует тонус скелетных мышц).

Функции среднего мозга:

1. проводниковая;

2. рефлекторная:

Ориентировочные рефлексы на зрительные и слуховые раздражители, которые проявляются в повороте головы и туловища;

Регуляция мышечного тонуса и позы тела.

ПОДКОРКА

Промежуточный мозг расположен впереди среднего мозга. Состоит из нескольких отделов:

1. Зрительные бугры (таламус) с ядрами II пары зрительных нервов.

Функции зрительных бугров:

Сбор и оценка всей поступающей информации от органов чувств;

Выделение и передача в кору мозга наиболее важной информации;

Регуляция эмоционального поведения.

2. Подбугорная область (гипоталамус)

Функции подбугорной области:

Высший подкорковый центр ВНС и всех жизненно важных функций;

Обеспечение постоянства внутренней среды и обменных процессов в организме;

Регуляция мотивационного поведения и защитные реакции (жажда, голод, насыщение, страх, ярость, удовольствие, неудовольствие);

Участие в смене сна и бодрствования.

Кора больших полушарий — наиболее развитый отдел головного мозга. Состоит из двух полушарий, которые соединены мозолистым телом (образовано белым веществом). В каждом полушарии различают: кору, обонятельный мозг, подкорковые ядра.

У человека наиболее развита кора – филогенетически наиболее молодое образование мозга, толщина которой 2-4 мм. Кора состоит из большого кол-ва клеток (до 15 млрд.), расположенных послойно. Слои:

1. молекулярный – беден нервными клетками. Много отростков нейронов нижележащих слоев;

2. наружный зернистый – из большого количества пирамидных, треугольных и зернистых клеток;

3. пирамидный – самый широкий, образован нейронами пирамидной формы;

4. внутренний зернистый – образован мелкими звездчатыми нейронами;

5. внутренний пирамидный – залегают очень крупные пирамидные клетки;

6. полиморфный – состоит из клеток разной формы.

Нервные клетки, образующие кору больших полушарий, связаны между собой с помощью нервных волокон. Различают волокна двух типов:

Горизонтальные – соединяют участки коры;

Вертикальные – соединяют кору и подкорку.

Кора покрыта многочисленными бороздами , которые образуют извилины – складки коры, ограниченные бороздами.

За счет борозд и извилин площадь поверхности коры составляет около 220 тыс. мм 2 . У трехмесячного зародыша поверхность полушарий гладкая, но кора растет быстрее, чем черепная коробка, поэтому кора образует складки.

Борозды делят поверхность полушарий на доли: лобную, теменную, височную, затылочную. Особенно развиты лобные доли. Их масса составляет 50 % массы головного мозга.

Самые глубокие борозды:

- центральная – отделяет лобные доли от теменных;

- боковые – отделяют височные доли от остальных;

- теменно-затылочные – отделяют теменную долю от затылочной.

Кпереди от центральной борозды располагаются передняя центральная извилина, позади нее – заднецентральная.

Возбуждение от разных рецепторов поступает в разные участки коры, а оттуда передается к определенному органу. Эти участки называются зонами .

В коре выделяют несколько зон:

- слуховую – в височной доле, воспринимает, анализирует импульсы от слухового рецептора;

- зрительную – в затылочной области, воспринимает зрительные сигналы, формирует зрительные образы;

- общечувствительную – в теменной доле, болевая, температурная, тактильная чувствительность;

- двигательную – в лобной доле: центры сокращений рук, ног, шеи, туловища, языка и т. д. (переднецентральная извилина).

В этих зонах происходит анализ и синтез сигналов, поступающих из внешней и внутренней среды организма.

Функция коры — образование временных связей организма с постоянно меняющимися условиями внешней среды, определяет интеллект человека.

Таким образом, кора больших полушарий – высший отдел ЦНС. Она отвечает за восприятие информации, управляет движениями, с ней связана речь, мышление.

Итак, органы и ткани объединены регулирующими системами органов: нервной и эндокринной системами, которые осуществляют взаимосвязь и согласованную работу всех систем органов. Поэтому организм функционирует как единое целое.

регуляторная функция белковая, регуляторная функция белковый
― осуществление белками регуляции процессов в клетке или в организме, что связано с их способностью к приёму и передаче информации. Действие регуляторных белков обратимо и, как правило, требует присутствия лиганда. Постоянно открывают всё новые и новые регуляторные белки, в настоящее время известно, вероятно, только малая их часть.

Существует несколько разновидностей белков, выполняющих регуляторную функцию:

• белки - рецепторы, воспринимающие сигнал
• сигнальные белки - гормоны и другие вещества, осуществляющие межклеточную сигнализацию (многие, хотя и далеко не все, из них является белками или пептидами)
• регуляторные белки, которые регулируют многие процессы внутри клеток.

• 1 Белки, участвующие в межклеточной сигнализации
• 2 Белки-рецепторы
• 3 Внутриклеточные регуляторные белки
  • 3.1 Белки-регуляторы транскрипции
  • 3.2 Факторы регуляции трансляции
  • 3.3 Факторы регуляции сплайсинга
  • 3.4 Протеинкиназы и протеинфосфатазы
• 4 См. также
• 5 Ссылки
• 6 Литература

Белки, участвующие в межклеточной сигнализации

Основные статьи: Сигнальная функция белка , Гормоны , Цитокины

Белки-гормоны (и другие белки, участвующие в межклеточной сигнализации) оказывают влияние на обмен веществ и другие физиологические процессы.

Гормоны - вещества, которые образуются в железах внутренней секреции, переносятся кровью и несут информационный сигнал. Гормоны распространяются безадресно и действуют только на те клетки, которые имеют подходящие белки-рецепторы. Гормоны связываются со специфическими рецепторами. Обычно гормоны регулируют медленные процессы, например, рост отдельных тканей и развитие организма, однако есть и исключения: например, адреналин - гормон стресса, производное аминокислот. Он выделяется при воздействии нервного импульса на мозговой слой надпочечников.При этом начинает чаще биться сердце, повышается кровяное давление и наступают другие ответные реакции. Также он действует на печень (расщепляет гликоген). Глюкоза выделяется в кровь, и её используют мозг и мышцы как источник энергии.

Белки-рецепторы

Основная статья: Клеточный рецептор Цикл активации G-белка под действием рецептора.

К белкам с регуляторной функцией можно отнести также белки-рецепторы. Мембранные белки - рецепторы передают сигнал с поверхности клетки внутрь, преобразовывая его. Они регулируют функции клеток за счет связывания с лигандом, который «сел» на этот рецептор снаружи клетки; в результате активируется другой белок внутри клетки.

Большинство гормонов действуют на клетку, только если на её мембране есть определенный рецептор - другой белок или гликопротеид. Например, β2- адренорецептор находится на мембране клеток печени. При стрессе молекула адреналина связывается с β2- адренорецептором и активирует его. Далее активированный рецептор активирует G-белок, который присоединяет ГТФ. После многих промежуточных этапов передачи сигнала происходит фосфоролиз гликогена. Рецептор осуществил самую первую операцию по передаче сигнала, ведущего к расщеплению гликогена. Без него не было бы последующих реакций внутри клетки.

Внутриклеточные регуляторные белки

Белки регулируют процессы, происходящие внутри клеток, при помощи нескольких механизмов:

• взаимодействия с молекулами ДНК (транскрипционные факторы)
• при помощи фосфорилирования (протеинкиназы) или дефосфорилирования (протеинфосфатазы) других белков
• при помощи взаимодействия с рибосомой или молекулами РНК (факторы регуляции трансляции)
• воздействия на процесс удаления интронов (факторы регуляции сплайсинга)
• влияния на скорость распада других белков (убиквитины и др.)

Белки-регуляторы транскрипции

Основная статья: Транскрипционный фактор

Транскрипционный фактор - это белок, который, попадая в ядро, регулирует транскрипцию ДНК, то есть считывание информации с ДНК на мРНК (синтез мРНК по матрице ДНК). Некоторые транскрипционные факторы изменяют структуру хроматина, делая его более доступным для РНК-полимераз. Существуют различные вспомогательные транскрипционные факторы, которые создают нужную конформацию ДНК для последующего действия других транскрипционных факторов. Еще одна группа транскрипционных факторов - это те факторы, которые не связываются непосредственно с молекулами ДНК, а объединяются в более сложные комплексы с помощью белок-белковых взаимодействий.

Факторы регуляции трансляции

Основная статья: Трансляция (биология)

Трансляция - синтез полипептидных цепей белков по матрице мРНК, выполняемый рибосомами. Регуляция трансляции может осуществляться несколькими способами, в том числе и с помощью белков-репрессоров, которые, связываются с мРНК. Известно много случаев, когда репрессором является белок, который кодируется этой мРНК. этом случае происходит регуляция по типу обратной связи (примером этого может служить репрессия синтеза фермента треонил-тРНК-синтетазы).

Факторы регуляции сплайсинга

Основная статья: Сплайсинг

Внутри генов эукариот есть участки, не кодирующие аминокислот. Эти участки называются интронами. Они сначала переписываются на пре-мРНК при транскрипции, но затем вырезаются особым ферментом. Этот процесс удаления интронов, а затем последующее сшивание концов оставшихся участков называют сплайсингом (сшивание, сращивание). Сплайсинг осуществляется с помощью небольших РНК, обычно связанных с белками, которые называются факторами регуляции сплайсинга. сплайсинге принимают участие белки, обладающие ферментативной активностью. Они придают пре-мРНК нужную конформацию. Для сборки комплекса(сплайсосомы) необходимо потребление энергии в виде расщепляемых молекул АТФ, поэтому в составе этого комплекса есть белки, обладающие АТФ-азной активностью.

Существует альтернативный сплайсинг. Особенности сплайсинга определяются белками, способными связываться с молекулой РНК в областях интронов или участках на границе экзон-интрон. Эти белки могут препятствовать удалению одних интронов и в то же время способствовать вырезанию других. Направленная регуляция сплайсинга может иметь значительные биологические последствия. Например, у плодовой мушки дрозофилы альтернативный сплайсинг лежит в основе механизма определения пола.

Протеинкиназы и протеинфосфатазы

Основная статья: Протеинкиназы

Важнейшую роль в регуляции внутриклеточных процессов играют протеинкиназы - ферменты, которые активируют или подавляют активность других белков путём присоединения к ним фосфатных групп.

Протеинкиназы регулируют активность других белков путём фосфолирования - присоединения остатков фосфорной кислоты к остаткам аминокислот, имеющих гидроксильные группы. При фосфорилировании обычно изменяется функционирование данного белка, например, ферментативная активность, а также положение белка в клетке.

Существуют также протеинфосфатазы - белки, которые отщепляют фосфатные группы. Протеинкиназы и протеинфосфатазы регулируют обмен веществ, а также передачу сигналов внутри клетки. Фосфорилирование и дефосфорилирования белков - один из главным механизмов регуляции большинства внутриклеточных процессов.

См. также

• Избранную статью белки и особенно раздел Функции белков в организме
• Транскрипционные факторы
• Сплайсинг
• Гормоны
• Цитокины
• Рецепторы
• Передача сигнала в клетке
• Передача сигнала (биология)

Ссылки

• Контроль транскрипции
• Белки против РНК - кто первым придумал сплайсинг?
• Протеинкиназы
• Трансляция и её регуляция

Литература

• Д.Тейлор, Н.Грин, У.Стаут. Биология (в 3-х томах).

регуляторная функция белковая, регуляторная функция белковский, регуляторная функция белковые, регуляторная функция белковый

Регуляторная функция белков Информацию О

Постоянно открывают все новые и новые регуляторные белки, в настоящее время известна, вероятно, только малая их часть.

Существует несколько разновидностей белков, выполняющих регуляторную функцию:

• белки - рецепторы , воспринимающие сигнал
• сигнальные белки - гормоны и другие вещества, осуществляющие межклеточную сигнализацию (многие, хотя и далеко не все, из них является белками или пептидами)
• регуляторные белки, которые регулируют многие процессы внутри клеток.

Белки, участвующие в межклеточной сигнализации

Протеинкиназы регулируют активность других белков путем фосфолирования - присоединения остатков фосфорной кислоты к остаткам аминокислот, имеющих гидроксильные группы . При фосфорилировании обычно изменяется функционирование данного белка, например, ферментативная активность, а также положение белка в клетке.

Существуют также протеинфосфатазы - белки,которые отщепляют фосфатные группы. Протеинкиназы и протеинфосфатазы регулируют обмен веществ, а также передачу сигналов внутри клетки. Фосфорилирование и дефосфорилирования белков - один из главным механизмов регуляции большинства внутриклеточных процессов.

В функционировании человеческого организма стала ясна в начале XIX века. Учёные обозначили эти вещества греческим термином «протеины», от слова protos - «главный, первый».

Главная особенность этих химических соединений состоит в том, что они являются основой, которую организм использует для создания новых клеток. Другие их функции состоят в обеспечении регуляторных и обменных процессов; в выполнении транспортных функций (к примеру, белок гемоглобин, распространяющий кислород по всему организму с током крови); в формировании мышечных волокон; в управлении многими витальными функциями организма (ярким примером служит белок инсулин); в регулировании процесса пищеварения, энергетического обмена; в защите организма.

Химическая структура этих веществ определяется количеством аминокислот, из которых состоят белковые молекулы. Молекулы по размеру являются довольно крупными. Эти вещества являются высокомолекулярными органическими веществами и представляют собой цепочку аминокислот, связанных между собой пептидной связью. Аминокислотный состав протеинов обусловлен генетическим кодом. Множество вариаций соединения аминокислот дает разнообразие свойств протеиновых молекул. Как правило, они соединяются между собой и образуют сложные комплексы.

Классификация протеинов не доработана, поскольку учёными исследованы далеко не все белки. Роль многих из них продолжает быть загадкой для людей. Пока что протеины разделяют по биологической роли и по тому, какие именно аминокислоты входят в их состав. Для нашего питания ценен не сам белок, а составляющие его аминокислоты. Аминокислоты – это одна из разновидностей органических кислот. Их насчитывают более 100. Без них невозможно протекание метаболических процессов.

Организм не может полностью усваивать поступающие с пищей протеины. Большая их часть подвергается разрушению под действием кислых пищеварительных соков. Происходит распад белков до аминокислот. Организм «берёт» после распада нужные ему аминокислоты и конструирует из них нужные белки. При этом может происходить трансформация одних аминокислот в другие. Помимо трансформации, они также могут самостоятельно синтезироваться в организме.

Однако не все аминокислоты может производить наш организм. Те, которые не синтезируются, называются незаменимыми, потому что организм в них нуждается, а получить их может только извне. Незаменимые аминокислоты не могут быть заменены другими. К ним причисляют метионин, лизин, изолейцин, лейцин, фенилаланин, треонин, валин. К тому же есть другие аминокислоты, которые образуются исключительно из незаменимых фенилаланина и метионина. Поэтому качество питания обусловлено не количеством поступающих белков, а качественным их составом. Например, в картофеле, белокочанной капусте, свекле, капусте, в бобовых, в хлебе содержится большое количество триптофана, лизина, метионина.

Протекание белкового обмена в нашем организме зависит от достаточного количества нужных белков. Расщепление и трансформация одних веществ в другие происходит с выделением нужной организму энергии.

Как результат жизнедеятельности организма, постоянно происходит потеря части белков. Из поступающих извне белковых веществ теряется примерно 30 г в сутки. Поэтому с учётом потери, рацион должен содержать достаточное количество этих веществ, чтобы обеспечить работоспособность организма.

Потребление организмом белковых веществ зависит от разных факторов: выполнение трудной физической работы или нахождение в состоянии покоя; эмоциональное состояние. В сутки норма потребления белка составляет в совокупности не менее 50 грамм для взрослых людей (это примерно 0,8 грамм на каждый килограмм массы тела). Детям, в связи с интенсивным ростом и развитием, требуется больше протеинов – до 1,9 грамма на килограмм массы тела.

Тем не менее, даже большое количество употреблённых в пищу белковых веществ не гарантирует сбалансированное количество аминокислот в них. Поэтому рацион питания должен быть разнообразный, чтобы организм смог из него извлечь максимум пользы в виде разных аминокислот. Речь не идёт о том, что если сегодня в съеденной вами пище не оказалось триптофана, то уже завтра же вы заболеете. Нет, организм «умеет» в небольших количествах запасать полезные аминокислоты и расходовать в случае необходимости. Однако кумулятивная способность организма не слишком высока, поэтому запасы полезных веществ надо регулярно пополнять.

Если по личным убеждениям (вегетарианство) или по состоянию здоровья (проблемы с желудочно-кишечным трактом и диетическое питание) у вас присутствует ограничение в рационе, то вам необходимо получить консультацию врача-диетолога, чтобы скорректировать своё питание и восстановить баланс протеинов в организме.
При интенсивных спортивных занятиях организм нуждается в большом количестве протеинов. Специально для таких людей выпускается спортивное питание. Однако поступление протеинов должно соответствовать выполняемым физическим нагрузкам. Переизбыток этих веществ, вопреки расхожему мнению, вовсе не приведёт к резкому росту мышеч­ной массы.

Разнообразие функций протеинов охватывает едва ли не все протекающие в организме биохимические процессы. Их можно назвать биохимическими катализаторами.
Из протеинов образуется цитоскелет, который поддерживает форму клеток. Без протеинов невозможно успешное функционирование иммунной системы.

Отличным пищевым источником протеинов являются мясо, молоко, рыба, зерновые, бобовые, орехи. Менее богаты протеинами фрукты, ягоды и овощи.

Первый белок, который был изучен с целью определения его аминокислотной последовательности, это инсулин. За это достижение Ф. Сенгером была получена Нобелевская премия в 60 годах прошлого столетия. А учёные Д. Кендрю и М. Перуц в то же время смогли создать трёхмерную структуру миоглобина и гемоглобина с помощью методики дифракции рентген-лучей. За это они также были удостоены Нобелевской премии.

История изучения

Основоположником изучения протеинов является Антуан Франсуа де Фуркруа. Он выделил их в отдельный класс, после того как заметил их свойство денатурировать (или сворачиваться) под действием кислот или высокой температуры. Он исследовал фибрин (выделенный из крови), глютен (выделенный из пшеничного зерна) и альбумин (яичный белок).


Голландский учёный Г. Мульдер дополнил научные работы своего французского коллеги де Фуркруа и провел анализ белкового состава. На основании данного анализа он выдвинул гипотезу о том, что большая часть белковых молекул имеют похожую эмпирическую формулу. Он также первым смог определить молекулярную массу белка.
По мнению Мульдера, любой белок состоит из малых структурных составляющих – «протеинов». А в 1838 году шведский учёный Я. Берцелиус предложил термин «протеины» в качестве общего названия всех белков.

В последующие 30-40 лет были проведены исследования большей части аминокислот, входящих в состав протеинов. В 1894 году А. Коссель, немецкий физиолог, сделал предположение, что именно аминокислоты и являются теми самыми структурными составляющими белков, и что они соединены между собой пептидными связями. Он пытался исследовать аминокислотную последовательность белка.
В 1926 году, наконец, была признана главенствующая роль протеинов в организме. Это произошло тогда, когда химик из США Д. Самнер доказал, что уреаза (фермент, без которого невозможно протекание многих химических процессов) является белком.

Выделить чистые протеины для нужд науки на тот момент было крайне сложно. Именно поэтому первые опыты проводились с применением тех полипептидов, которые можно было с минимальными затратами очистить в значительном количестве – это белки крови, куриные белки, различные токсины, ферменты пищеварительного или метаболического происхождения, выделяемые после забоя крупного скота. В конце 50-х годов получилось очистить бычью панкреатическую рибонуклеазу. Именно это вещество стало для многих учёных экспериментальным объектом.

В современной науке исследование протеинов продолжилось на качественно новом уровне. Существует отрасль биохимии, называемая протеомикой. Теперь, благодаря протеомике, можно исследовать не только выделенные очищенные белки, но и параллельное, одновременное изменение модификации множества белков, относящихся к разным клеткам и тканям. Теперь учёные могут теоретически рассчитать структуру белка по последовательности аминокислот. Методы криоэлектронной микроскопии позволяют изучить большие и малые белковые комплексы.

Свойства протеинов

Размер протеинов может измеряться в количестве составляющих их аминокислот или в дальтонах, обозначающих их молекулярную массу. Например, белки дрожжей состоят из 450 аминокислот, а их молекулярная масса составляет 53 килодальтона. Самый крупный из известных современной науке белков, который имеет название титин, состоит из более чем 38 тысяч аминокислот и обладает молекулярной массой около 3700 килодальтонов.
Белки, которые связываются с нуклеиновыми кислотами за счёт того, что взаимодействуют с их фосфатными остатками, считаются основными белками. К ним относятся протамины и гистоны.

Белки различают по степени их растворимости, большинство из них хорошо растворимы в воде. Однако встречаются и исключения. Фиброин (основа паутины и шёлка) и кератин (основа волос у человека, а также шерсти у животных и перьев у птиц), являются нерастворимыми.

Денатурация

Как правило, протеины сохраняют физико-химические свойства и структуру живого организма, к которому они относятся. Следовательно, если организм приспособлен к определённой температуре, то и белок её выдержит и не изменит своих свойств.
Изменение таких условий как окружающая температура, или попадание в кислотную/щелочную среду, приводит к тому, что протеин теряет вторичную, третичную и четвертичную структуры. Потеря нативной структуры, присущей живой клетке, называется денатурацией или сворачиванием белка. Денатурация может быть частичной или полной, необратимой или обратимой. Самый популярный и бытовой пример необратимой денатурации – это приготовление куриного яйца вкрутую. Под действием высокой температуры, овальбумин, прозрачный протеин, становится непрозрачным и плотным.

В некоторых случаях денатурация является обратимой, обратное состояние белку можно вернуть при помощи солей аммония. Обратимую денатурацию применяют как метод очистки белка.

Простые и сложные протеины

Помимо пептидных цепей, в состав некоторых белков входят и неаминокислотные структурные единицы. По критерию наличия или отсутствия неаминокислотных фрагментов, протеины делят на две группы: сложные и простые белки. Простые протеины состоят только из аминокислотных цепей. Сложные протеины содержат фрагменты, имеющие небелковую природу.

По химической природе сложных белков выделяют пять классов:

• Гликопротеиды.
• Хромопротеиды.
• Фосфопротеиды.
• Металлопротеиды.
• Липопротеиды.

Гликопротеиды содержат в себе ковалентно связанные между собой углеводные остатки и их разновидность – протеогликаны. К гликопротеидам относятся, например, иммуноглобулины.

Хромопротеиды – это общее наименование сложных протеинов, к которым относятся флавопротеиды, хлорофиллы, гемоглобин, и другие.

Белки, называемые фосфопротеидами, содержат в своём составе остатки фосфорной кислоты. К этой группе протеинов относится, например, казеин молока.

Металлопротеиды – это протеины, которые содержат ковалентно связанные ионы некоторых металлов. Среди них есть протеины, которые выполняют транспортные и депонирующие функции (трансферрин, ферритин).

Сложные белки липопротеиды содержат в своём составе остатки липидов. Их функция - транспортировка липидов.

Биосинтез протеинов

Живые организмы создают белки из аминокислот на основе генетической информации, которая закодирована в генах. Каждый из синтезируемых белков состоит из совершенно уникальной последовательности соединённых аминокислот. Уникальная последовательность определяется таким фактором как нуклеотидная последовательность гена, кодирующая информацию о данном белке.

Генетический код состоит из кодонов. Кодоном называют единицу генетической информации, состоящей из остатков нуклеотидов. Каждый из кодонов отвечает за подсоединение одной аминокислоты к белку. Общее их количество – 64. Некоторые аминокислоты определяются не одним, а несколькими кодонами.

Функции протеинов в организме

Наравне с другими биологическими макромолекулами (полисахаридами и липидами) протеины нужны организму для осуществления большинства жизненных процессов в клетках. Протеины осуществляют метаболические процессы и энергетические трансформации. Они входят в состав органелл – клеточных структур, участвуют в синтезе межклеточного вещества.

Следует заметить, что классификация протеинов по их функциям является достаточно условной, потому что у некоторых живых организмов один и тот же протеин может выполнять несколько разных функций. Многие функции протеины выполняют благодаря тому, что обладают высокой ферментативной активностью. В частности, к таким ферментам относится двигательный белок миозин, а также регуляторные белки протеинкиназы.

Каталитическая функция

Наиболее изученная роль протеинов в организме – это катализ разных химических реакций. Ферментами называют группу протеинов, обладающую специфическими каталитическими свойствами. Каждый из таких ферментов является катализатором одной или нескольких сходных реакций. Науке известно несколько тысяч ферментативных веществ. Например, вещество пепсин, расщепляющее в процессе пищеварения белки, является ферментом.

Более 4 000 реакций, протекающих в нашем организме, нуждаются в катализации. Без воздействия ферментов реакция протекает в десятки и сотни раз медленнее.
Молекулы, присоединяющиеся к ферменту в процессе реакции, и затем видоизменяющиеся, называются субстратами. В составе фермента множество аминокислот, но далеко не все из них взаимодействуют с субстратом, и уж тем более не все из них напрямую участвуют процессе катализации. Та часть фермента, к которой присоединяется субстрат, считается активным ферментативным центром.

Структурная функция

Структурные протеины цитоскелета являются своего рода жёсткой основой, придающей форму клеткам. Благодаря ним может изменяться форма клеток. К ним можно отнести эластин, коллаген, кератин. Основными компонентами межклеточного вещества в соединительной ткани является коллаген и эластин. Кератин является основой для образования волос и ногтей, а также перьев у птиц.

Защитная функция

Выделяют несколько защитных функций протеинов: физическая, иммунная, химическая.
В формировании физической защиты принимает участие коллаген. Он образует базис межклеточного вещества таких разновидностей соединительной ткани как кости, хрящи, сухожилия и глубокие слои кожи (дерма). Примерами данной группы протеинов служат тромбины и фибриногены, принимающие участие в свёртывании крови.

Иммунная защита предполагает участие протеинов, входящих в состав крови или других биологических жидкостей, в формировании защитного ответа организма на атаку патогенных микроорганизмов или на повреждение. Например, иммуноглобулины нейтрализуют вирусы, бактерии, или чужеродные протеины. Антитела, вырабатывающиеся иммунной системой, прикрепляются к чужеродным для этого организма веществам, которые называются антигенами, и нейтрализуют их. Как правило, антитела секретируются в межклеточное пространство или закрепляются в мембранах специализированных клеток плазмоцитов.

Ферменты и субстрат соединяются между собой не слишком тесно, в противном случае протекание катализируемой реакции может нарушиться. А вот стойкость присоединения антигена и антител ничем не ограничивается.

Химическая защита состоит в связывании белковыми молекулами различных токсинов, то есть в обеспечении детоксикации организма. Самую ответственную роль в детоксикации нашего организма играют печёночные ферменты, которые расщепляют яды или переводят их в растворимую форму. Растворённые токсины быстро покидают организм.

Регуляторная функция

Большая часть внутриклеточных процессов регулируется белковыми молекулами. Эти молекулы выполняют узкоспециализированную функцию, и не являются ни строительным клеточным материалом, ни источником энергии. Регуляция осуществляется за счёт активности ферментов или за счёт связывания с другими молекулами.
Важную роль в регуляции процессов внутри клеток играют протеинкиназы. Это ферменты, влияющие на активность других протеинов с помощью присоединения к ним фосфатных частиц. Они либо усиливают активность, либо полностью подавляют её.

Сигнальная функция

Сигнальная функция белков выражается в их способности служить сигнальными веществами. Они передают сигналы между тканями, клетками, органами. Иногда сигнальную функцию считают похожей на регуляторную, поскольку многие регуляторные внутриклеточные протеины также осуществляют передачу сигналов. Клетки взаимодействуют между собой с помощью сигнальных белков, которые распространяются через межклеточное вещество.

Цитокины, белки-гормоны выполняют сигнальную функцию.
Гормоны разносятся кровью. Рецептор при связывании с гормоном запускает в клетке ответную реакцию. Благодаря гормонам осуществляется регуляция концентрации веществ в клетках крови, а также регуляция клеточного роста и размножения. Примером таких протеинов служит широко известный инсулин, который регулирует концентрацию в крови глюкозы.

Цитокины являются небольшими пептидными информационными молекулами. Они действуют как регуляторы взаимодействия между различными клетками, а также определяют выживаемость этих клеток, подавляют, или стимулируют их рост и функциональную активность. Без цитокинов невозможна согласованная работа нервной, эндокринной и иммунной систем. Например, цитокины могут вызвать некроз опухоли – то есть подавление роста и жизнедеятельности воспалительных клеток.

Транспортная функция

Растворимые белки, которые принимают участие в транспортировке малых молекул, должны легко соединяться с субстратом, если он присутствует в большой концентрации, и также легко должны его высвобождать там, где он находится в низкой концентрации. Примером транспортных протеинов является гемоглобин. Он транспортирует из лёгких кислород и приносит его к остальным тканям, а также обратно переносит от тканей к лёгким углекислый газ. Во всех царствах живых организмов были найдены белки, аналогичные гемоглобину.

Запасная (или резервная) функция

К таким протеинам относят казеин, овальбумин и другие. Эти резервные протеины в яйцеклетках животных и в семенах растений запасаются в качестве источника энергии. Они выполняют питательные функции. Много протеинов используется в нашем организме в качестве источника аминокислот.

Рецепторная функция белков

Белковые рецепторы могут располагаться как в клеточной мембране, так и в цитоплазме. Одна часть белковой молекулы принимает сигнал (любой природы: химической, световой, термической, механической). Белок-рецептор под влиянием сигнала претерпевает конформационные изменения. Эти изменения влияют на другую часть молекулы, которая ответственна за передачу сигнала на остальные клеточные компоненты. Механизмы сигнальной передачи разнятся друг с другом.

Моторная (или двигательная) функция

Моторные белки ответственны за обеспечение движения и сокращения мышц (на уровне организма) и за движение жгутиков и ресничек, внутриклеточный транспорт веществ, амебоидное движение лейкоцитов (на клеточном уровне).

Белки в обмене веществ

Большая часть растений и микроорганизмов в состоянии синтезировать 20 основных, а также некоторое количество дополнительных аминокислот. Но если они есть в окружающей среде, то организм предпочтёт сберечь энергию и транспортировать их внутрь, а не синтезировать.

Те аминокислоты, которые не синтезируются организмом, называются незаменимыми, следственно, могут поступать к нам только извне.

Человек получает аминокислоты из тех белков, которые содержатся в пище. Белки подвергаются денатурации в процессе пищеварения под действием кислых желудочных соков и ферментов. Некоторая часть полученных в результате пищеварительного процесса аминокислот применяется для синтеза нужных протеинов, а остальная их часть в процессе глюконеогенеза превращается в глюкозу или применяется в цикле Кребса (это процесс метаболического распада).

Использование протеинов в качестве энергетического источника особенно важно в неблагоприятных условиях, когда организм использует внутренний «неприкосновенный запас» – собственные белки. Аминокислоты для организма являются также важным источником азота.

Единых норм суточной потребности в белках нет. Микрофлора, населяющая толстый кишечник, также синтезирует аминокислоты, и они не могут учитываться при составлении протеиновых норм.

Запасы протеинов в человеческом организме минимальны, а новые протеины могут синтезироваться только из распадающихся белков, поступающих от тканей организма и из аминокислот, поступающих вместе пищей. Из тех веществ, которые входят в состав жиров и углеводов, протеины не синтезируются.

Недостаток белка
Недостаток белковых веществ в рационе вызывает у детей сильное замедление роста и развития. Для взрослых белковый дефицит опасен появлением глубоких изменений в печени, изменением гормонального фона, нарушением функционирования желёз внутренней секреции, ухудшением усвояемости питательных веществ, ухудшением памяти и работоспособности, проблемами с сердцем. Все эти негативные явления связаны с тем, что протеины участвуют почти во всех процессах человеческого организма.

В 70 годах прошлого века были зафиксированы летальные случаи у людей, долгое время соблюдающих низкокалорийную диету с выраженным дефицитом белка. Как правило, непосредственной причиной смерти в данном случае являлись необратимые изменения в сердечной мышце.

Дефицит протеинов снижает устойчивость иммунитета к инфекциям, поскольку уменьшается уровень образования антител. Нарушение синтеза интерферона и лизоцима (защитных факторов) вызывает обострение воспалительных процессов. Кроме того, белковый дефицит зачастую сопровождается недостатком витаминов, что в свою очередь тоже приводит к неблагоприятным последствиям.

Дефицит влияет не лучшим образом на выработку ферментов и на усвояемость важных питательных веществ. Не следует забывать, что гормоны являются белковыми образованиями, следовательно, недостаток протеинов может привести к сильным гормональным нарушениям.

Любая активность физического характера наносит вред мышечным клеткам, и чем нагрузка больше, тем больше мышцы страдают. Для восстановления повреждённых клеток мышц необходимо большое количество качественного белка. Вопреки распространённому мнению, физические нагрузки только тогда полезны, когда с пищей в организм поставляется достаточное количество белка. При интенсивных физических нагрузках потребление белка должно достигать 1,5 - 2 грамма на каждый килограмм веса.

Избыток белка

Для поддержания азотистого баланса в организме нужно определённое количество протеинов. Если в рационе белка немного больше, то это не повредит здоровью. Избыточное количество аминокислот в этом случае используется просто как дополнительный источник энергии.

Но если человек не занимается спортом, и при этом употребляет более чем 1,75 грамм белка на килограмм веса, то в печени накапливается избыток протеина, который превращается в азотистые соединения и глюкозу. Азотистое соединение (мочевина) должно в обязательном порядке выводиться почками из организма.

Кроме того, при переизбытке белка возникает кислая реакция организма, что приводит к потере кальция из-за изменения питьевого режима. К тому же мясная пища, богатая белком, зачастую содержит пурины, некоторые из которых в процессе метаболизма откладываются в суставах и вызывают развитие подагры. Следует отметить, что нарушения, связанные с переизбытком протеином, встречаются намного реже, чем нарушения, связанные с белковой недостаточностью.

Оценка достаточного количества белка в рационе осуществляется по состоянию азотистого баланса. В организме беспрестанно происходит синтезирование новых протеинов и выделение наружу конечных продуктов белкового метаболизма. В состав протеинов входит азот, не содержащийся ни в жирах, ни в углеводах. И если азот откладывается в организме про запас, то исключительно в составе белков. При белковом распаде он должен выделиться наружу вместе с мочой. Для того чтобы функционирование организма осуществлялось на нужном уровне, требуется восполнить удаляемый азот. Азотистый баланс означает, что количество потребляемого азота соответствует количеству выведенного из организма.

Белковое питание

Польза пищевых протеинов оценивается по коэффициенту белковой усвояемости. Данный коэффициент учитывает химическую ценность (состав аминокислот), и биологическую ценность (процент переваривания протеинов). Полноценными источниками протеинов считаются те продукты, которые имеют коэффициент усвояемости равный 1,00.

Коэффициент усвояемости равен 1,00 в следующих продуктах: яйца, соевый белок, молоко. Говядина показывает коэффициент 0,92.

Эти продукты являются высококачественным источником протеинов, однако нужно помнить, что они содержат много жира, поэтому злоупотреблять их частотой в рационе нежелательно. Помимо большого количества белка, в организм также попадёт излишнее количество жира.

Предпочтительные продукты с богатым протеиновым содержанием: соевые сыры, нежирные сыры, нежирная телятина, яичный белок, обезжиренный творог, свежая рыба и морепродукты, молодой барашек, курятина, белое мясо.
Менее предпочтительно употребление таких продуктов, как: молоко и йогурты с добавлением сахара, красное мясо (вырезка), темное куриное и индюшачье мясо, нежирная нарезка, домашний творог, переработанное мясо в виде бекона, салями, ветчины.

Яичный белок – это чистый белок, в котором нет жира. В постном мясе содержится около 50 % килокалорий, приходящихся на долю протеинов; в продуктах, содержащих крахмал – 15%; в обезжиренном молоке – 40 %; в овощах – 30 %.

Главное правило при выборе белкового питания состоит в следующем: большее количество белка на единицу калорий и высокий коэффициент усвояемости белка. Полезнее всего употреблять продукты с низким содержанием жира и высоким содержанием белков. Данные о калорийности можно найти на упаковке любого продукта. Обобщённые данные о содержании белков и жиров в тех продуктах, калораж которых сложно высчитать, можно найти в специальных таблицах.

Легче усваиваются протеины, подвергнувшиеся тепловой обработке, поскольку они становятся легкодоступными для воздействия ферментов пищеварительного тракта. Однако температурная обработка может снизить биологическую ценность протеина из-за того, что разрушаются некоторые аминокислоты.

Содержание белков и жиров в некоторых пищевых продуктах

Продукты	Белки, граммы	Жиры, граммы
Курятина	20,8	8,9
Сердце	15	3
Свинина нежирная	16,3	27,8
Говядина	18,9	12,3
Телятина	19,7	1,2
Докторская варёная колбаса	13,7	22,9
Диетическая варёная колбаса	12,2	13,5
Минтай	15,8	0,7
Сельдь	17,7	19,6
Икра осетровая зернистая	28,6	9,8
Хлеб пшеничный из муки I сорта	7,6	2,3
Хлеб ржаной	4,5	0,8
Сдобная выпечка	7,2	4,3

Очень полезно употреблять соевые продукты: сыр тофу, молоко, мясо. Соя содержит абсолютно все нужные аминокислоты в таком соотношении, какое нужно для удовлетворения потребностей организма. К тому же она отлично усваивается.
Казеин, который содержится в молоке, также является полным протеином. Коэффициент усвояемости у него равен 1,00. Сочетание выделенного из молока казеина и сои даёт возможность создавать полезные продукты питания с высоким белковым содержанием, при этом они не содержат лактозу, что разрешает употребление их лицами, страдающими непереносимостью лактозы. Еще один плюс таких продуктов состоит в том, что в них нет сыворотки, которая является потенциальным источником аллергенов.

Метаболизм протеинов

Чтобы усвоить белок, организму нужно много энергии. Первым делом организм должен расщепить аминокислотную цепочку белка на несколько коротких цепочек, или же на сами аминокислоты. Этот процесс достаточно длительный и требующий разных ферментов, которые организм должен создать и транспортировать в пищеварительный тракт. Остаточные продукты белкового обмена – азотистые соединения – должны быть выведены из организма.


Все эти действия в сумме потребляют немалое количество энергии для усвоения белковой пищи. Поэтому белковая пища стимулирует ускорение метаболизма и увеличение энергетических затрат на внутренние процессы.

На усвоение еды организм может потратить около 15% от всей калорийности рациона.
Пища с высоким содержанием протеинов, в процессе метаболизма способствует усилению теплопродукции. Температура тела немного увеличивается, что приводит к дополнительному расходу энергии на процесс термогенеза.

Белки не всегда используются в качестве энергетической субстанции. Это связано с тем, что применение их в качестве источника энергии для организма бывает невыгодным, ведь из определённого количества жиров и углеводов можно получить гораздо больше калорий и намного эффективнее, чем из аналогичного количества протеина. К тому же в организме редко бывает переизбыток белков, а если он и есть, то большая часть избыточных протеинов идёт для осуществления пластических функций.

В том случае, когда в питании не достаёт энергетических источников в виде жиров и углеводов, организм принимается за использование накопленных жиров.

Достаточное количество протеинов в рационе помогает активизировать и нормализовать замедленный обмен веществ у тех людей, которые страдают ожирением, а также позволяет поддерживать мышечную массу.

Если белка не хватает, организм переключается на использование мышечных белков. Это происходит потому, что мышцы не так важны для поддержания жизнедеятельности организма. В мышечных волокнах сгорает большая часть калорий, и снижение мышечной массы понижает энергетические затраты организма.

Очень часто люди, придерживающиеся различных диет для похудения, выбирают такую диету, в которой очень мало белка поступает с пищей в организм. Как правило, это овощные или фруктовые диеты. Кроме вреда, такая диета ничего не принесёт. Функционирование органов и систем при недостатке протеинов угнетается, что вызывает различные нарушения и заболевания. Каждую диету надо рассматривать с точки зрения потребности организма в белке.

Такие процессы как усвоение белков и применение их в энергетических потребностях, а также выведение продуктов белкового метаболизма, требует больше жидкости. Чтобы не получить обезвоживание, в день надо принимать около 2 литров воды.

Защитная функция

В крови и других жидкостях содержатся белки, которые могут убивать или помогать обезвреживать микробов. В состав плазмы крови входят антитела - белки, каждый из которых узнает определенный вид микроорганизмов или иных чужеродных агентов, - а также защитные белки системы комплемента. Существует несколько классов антител (эти белки еще называют иммуноглобулинами), самый распространенный из них - иммуноглобулин G. В слюне и в слезах содержится белок лизоцим - фермент, расщепляющий муреин и разрушающий клеточные стенки бактерий. При заражении вирусом клетки животных выделяют белок интерферон, препятствующий размножению вируса и образованию новых вирусных частиц.

Защитную функцию для микроорганизмов выполняют и такие неприятные для нас белки, как микробные токсины - холерный токсин, токсин ботулизма, дифтерийный токсин и т. п. Повреждая клетки нашего организма, они защищают микробов от нас.

Рецепторная функция

Белки служат для восприятия и передачи сигналов. В физиологии есть понятие клетки-рецептора, т.е. клетки, которая воспринимает определенный сигнал (например, в сетчатке глаза находятся клетки-зрительные рецепторы). Но в клетках-рецепторах эту работу осуществляют белки-рецепторы. Так, белок родопсин, содержащийся в сетчатке глаза, улавливает кванты света, после чего в клетках сетчатки начинается каскад событий, который приводит к возникновению нервного импульса и передаче сигнала в мозг.

Белки-рецепторы есть не только в клетках-рецепторах, но и в других клетках. Очень важную роль в организме играют гормоны - вещества, выделяемые одними клетками и регулирующие функцию других клеток. Гормоны связываются со специальными белками - рецепторами гормонов на поверхности или внутри клеток-мишеней.

Регуляторная функция

Многие (хотя и далеко не все) гормоны являются белками - например, все гормоны гипофиза и гипоталамуса, инсулин и др. Еще одним примером белков, выполняющих эту функцию, могут служить внутриклеточные белки, регулирующие работу генов.

Многие белки могут выполнять несколько функций.

Макромолекулы белков состоят из б-аминокислот. Если в состав полисахаридов обычно входит одна и та же «единица» (иногда две), повторяющаяся много раз, то белки синтезируются из 20 разных аминокислот. После того, как молекула белка собрана, некоторые аминокислотные остатки в составе белка могут подвергаться химическим изменениям, так что в «зрелых» белках можно обнаружить более 30 различных аминокислотных остатков. Такое разнообразие мономеров обеспечивает и многообразие биологических функций, выполняемых белками.

б-аминокислоты имеют следующее строение:

здесь R - различные группы атомов (радикалы) у разных аминокислот. Ближайший к карбоксильной группе атом углерода обозначается греческой буквой б, именно с этим атомом соединена аминогруппа в молекулах б-аминокислот.

В нейтральной среде аминогруппа проявляет слабые основные свойства и присоединяет ион Н+, а карбоксильная - слабо кислотные и диссоциирует с освобождением этого иона, так что хотя в целом суммарный заряд молекулы не изменится, она будет одновременно нести положительно и отрицательно заряженную группу.

В зависимости от природы радикала R различают гидрофобные (неполярные), гидрофильные (полярные), кислые и щелочные аминокислоты.

У кислых аминокислот имеется вторая карбоксильная группа. Она немного сильнее карбоксильной группы уксусной кислоты: у аспарагиновой кислоты половина карбоксилов диссоциирована при рН 3,86, у глютаминовой - при рН 4,25, а у уксусной - лишь при 4,8. Среди щелочных аминокислот самой сильной является аргинин: половина его боковых радикалов сохраняет положительный заряд при рН 11,5. У лизина боковой радикал является типичным первичным амином, он остается наполовину ионизированным при рН 9,4. Самая слабая из щелочных аминокислот - гистидин, его имидазольное кольцо наполовину протонировано при рН 6.

Среди гидрофильных (полярных) также имеются две аминокислоты, способные ионизироваться при физиологических рН - цистеин, у которого SH-группа может отдавать ион Н+ подобно сероводороду, и тирозин, у которого есть слабокислая фенольная группировка. Однако эта способность выражена у них очень слабо: при рН 7 цистеин ионизирован на 8 %, а тирозин - на 0,01 %.

Для обнаружения б-аминокислот обычно используют нингидриновую реакцию: при взаимодействии аминокислоты с нингидрином образуется ярко окрашенный синий продукт. Кроме того, отдельные аминокислоты дают свои специфические качественные реакции. Так, ароматические аминокислоты дают желтое окрашивание с азотной кислотой (в ходе реакции происходит нитрование ароматического кольца). При подщелачивании среды окраска изменяется на оранжевую (подобное изменение окраски происходит и у индикаторов, например, метилоранжа). Эта реакция под названием ксантопротеиновой используется также для детекции белка, поскольку в большинстве белков есть ароматические аминокислоты; желатин не дает этой реакции, поскольку почти не содержит ни тирозина, ни фенилаланина, ни триптофана. При нагревании с плюмбитом натрия Na2PbO2 цистеин образует черный осадок сульфида свинца PbS.

Растения и многие микробы могут синтезировать аминокислоты из простых неорганических веществ. Животные могут синтезировать лишь некоторые аминокислоты, другие же должны получать с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми. Для человека незаменимыми являются фенилаланин, триптофан, треонин, метионин, лизин, лейцин, изолейцин, гистидин, валин и аргинин. К сожалению, злаковые культуры содержат очень мало лизина и триптофана, зато эти аминокислоты в существенно большем количестве содержатся в бобовых культурах. Не случайно традиционные диеты земледельческих народов обычно содержат как злаки, так и бобовые: пшеница (или рожь) и горох, рис и соя, кукуруза и бобы являются классическими примерами такого сочетания у народов разных континентов.

б-Атом углерода у всех 20 аминокислот находится в состоянии sp3-гибридизации. Все его 4 связи расположены под углом около 109°, так что формулу аминокислоты можно вписать в тетраэдр.

Легко убедиться, что могут существовать два вида аминокислот, которые являются зеркальными отображениями друг друга. Как бы мы ни перемещали и ни поворачивали их в пространстве, совместить их невозможно - они различаются как правая и левая рука.

Такой вид изомерии называется оптической изомерией. Он возможен только в том случае, если у центрального атома углерода (он называется асимметрическим центром) со всех 4 сторон находятся разные группы (поэтому глицин не имеет оптических изомеров, а остальные 19 аминокислот имеют). Из двух разных изомерных форм аминокислот ту, что на рис. 1 расположена справа, называют D-формой, а слева - L-формой.

Основные физические и химические свойства D- и L-изомеров аминокислот одинаковы, однако различаются оптические свойства: их растворы вращают плоскость поляризации света в противоположные стороны. Различна и скорость их реакций с другими оптически активными соединениями.

Интересно, что в состав белков всех живых организмов от вирусов до человека входят только L-аминокислоты. D-формы встречаются в некоторых антибиотиках, синтезируемых грибами и бактериями. Белки могут образовывать упорядоченную структуру лишь в том случае, если в их состав будут входить только изомеры аминокислот одного типа.