Транспортная функция белков кратко

Обновлено: 07.07.2024

Наш организм на 80% состоит из воды. А 85% оставшейся сухой массы составляют белки.

Они выполняют огромное количество жизненно важных функций в организме. Поэтому они по праву считаются одним их важнейших компонентов питания.

С диетической точки зрения обеспечение организма адекватным количеством белка является одной из ключевых оценок любой диеты и определяет ее эффективность, переносимость и влияние на здоровье. В то же время не нужно забывать, что для правильного и здорового функционирования организма одних только белков мало. Любое питание должно быть сбалансировано и включать все необходимые компоненты.

Что происходит с белком в организме?

В большинстве тканей и органов постоянно происходят два процесса: синтез и распад белка. Оба процесса происходят одновременно, хотя в физиологическом плане регулируются разными факторами.

В мышечной ткани, если синтез белка преобладает над разрушением, происходит рост мышц за счёт увеличения количества миофибрилл, появления новых митохондрий или объема внутриклеточный жидкости (саркоплазмы). Иными словами, для того, что мышцы росли нужно или увеличить синтез, или уменьшить распад, или и то и другое. То же самое касается белков плазмы и других органов. Понижение их уровня может приводить к снижению иммунитета, сопротивляемости инфекционным заболеваниям.

В разных тканях скорость обмена белка сильно отличается. В плазме белки разрушаются и восстанавливаются за часы, в связках - за месяцы или годы.

Процесс обмена довольно затратен для организма. Он составляет примерно 15-20% от всего базового метаболизма человека. Поэтому силовые тренировки и питание, насыщенное белками, увеличивают расход калорий. В литературе это называют "ускорением метаболизма".

Одним из факторов, которые влияют на синтез белка, является питание. Попадая в кровь, аминокислоты положительно влияют на процессы синтеза и подавляют распад. Избыток белка в организме нужно куда-то использовать, и в некоторых пределах он идет на построение мышечной ткани.

Однако одно лишь увеличение потребления белка не приводит к росту мышц. Поскольку мышечная ткань, в отличие от жировой, не склонна к накопительству. Большие запасы жира позволяют организму пережить тяжелые времена, тогда как мышечная ткань сама по себе энергозатратна и при расщеплении дает меньше энергии. Поэтому насыщение организма "лишним" белком через некоторое (короткое) время приводит к запуску процессов расщепления этого белка. Сигналом для накопле ния белка (не только снижения распада, но и увеличения синтеза) служат силовые нагрузки.

Кардио тренировки и тренировки на выносливость не обладают таким свойством.

При таком виде нагрузки стимулируется увеличение митохондрий и ферментов, отвечающих за энергетическое снабжение клеток. Кроме того, при длительные тренировки приводят к тому, что белок начинает использоваться в качестве источника энергии. Что в свою очередь приводит к потере мышечной массы.

Еще одним фактором, который влияет на процессы синтеза и распада белка, является инсулин. Это гормон, который выделяется в ответ на повышение в крови уровня углеводов. Инсулин затормаживает процесс разрушения белка (белково сберегающая функция углеводов).

Сколько белка нужно в день?

Согласно текущим рекомендациям (ВОЗ) потребность в белке составляет 0. 6 - 0. 8 г на кг веса. Тем не менее ряд исследований показывает, что для людей сидячих профессий (минимальная активность) минимальным количеством нужно считать 1 - 1. 2 г на кг веса.

У спортсменов потребности в белке выше. В видах спорта, где акцент делается на выносливость, это связано с тем, что при продолжительных тренировках белок используется для получения энергии, за их счет может покрываться до 10% калорий.

В силовых видах спорта повышенные потребности белка требуется для восстановления мышечной ткани. На основе исследований можно утверждать, что для силовых спортсменов потребность в белке 1. 2 - 1. 7 г, для видов спорта, ориентированных на выносливость - 1. 2 - 1. 3 г на кг массы тела. Но при этом следует учитывать, что данные цифры применимы для профессиональных спортсменов, которые занимаются 5-7 раз в неделю.

Расчет необходимого количества белка ведется относительно "идеального" веса. "Идеальный" вес - это ориентировочный вес, при котором у мужчин будет около 10 - 12% жира, а у женщин - 18 - 20%, что является неплохим ориентиром для фигуры. Для того, чтоб вычислить это значение, следует из роста вычесть 110 для новичков, которые только начинают заниматься спортом. Для продвинутых любителей - 105.

Для людей, которые не занимаются спортом или только начинают заниматься, разумно потреблять 1 - 1. 2 г белка на кг "идеального" веса.

Если при этом планируется похудение, то количество белка следует увеличить до 1. 5 - 1. 8 г.

Для тех, кто занимается спортом для личных, не профессиональных целей достаточно потреблять 1. 5 - 1. 8 г белка на кг "идеального" веса. При похудении можно поднять планку до 1. 5 - 2 г белка на кг "идеального" веса.

Потреблять выше 2 - 2. 2 г белка не только не имеет смысла, но и вредно для здоровья.

Благодаря сложности, разнообразию форм и состава, белки играют важную роль в жизнедеятельности клетки и организма в целом.

Белок — это отдельный полипептид или агрегат нескольких полипептидов, выполняющий биологическую функцию.

Полипептид — понятие химическое. Белок — понятие биологическое.

В биологии функции белков можно разделить на следующие виды:

1. Строительная функция

Белки участвуют в образовании клеточных и внеклеточных структур. Например:

кератин – из него состоят волосы, ногти, перья, копыта
коллаген – главный компонент хрящей и сухожилий;
эластин (связки);
белки клеточных мембран (в основном – гликопротеиды)

2. Транспортная функция

Некоторые белки способны присоединять различные вещества и переносить их к различным тканям и органам тела, из одного места клетки в другое. Например:

липопротеины — отвечает за перенос жира.
гемоглобин — транспорт кислорода, белок крови гемоглобин присоединяет кислород и транспортирует его от легких ко всем тканям и органам, а от них в легкие переносит углекислый газ;
гаптоглобин — транспорт гема),
трансферрин — транспорт железа.

Белки транспортируют в крови катионы кальция, магния, железа, меди и другие ионы.

В состав клеточных мембран входят особые белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный перенос некоторых веществ и ионов из клетки во внешнюю среду и обратно. Транспорт веществ через мембраны осуществляют белки - Na + ,К + -АТФаза (антинаправленный трансмембранный перенос ионов натрия и калия), Са 2+ -АТФаза (выкачивание ионов кальция из клетки), глюкозные транспортеры.

3. Регуляторная функция

Большая группа белков организма принимает участие в регуляции процессов обмена веществ. Гормоны белковой природы принимают участие в регуляции процессов обмена веществ. Например:

гормон инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, способствует синтезу гликогена.

4. Защитная функция

В ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов (антигенов) образуются особые белки — антитела, способные связывать и обезвреживать их.
Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений.

5. Двигательная функция

Сократительные белки актин и миозин обеспечивают сокращение мышц у многоклеточных животных, движений листьев у растений, мерцание ресничек у простейших и т.д.

6. Сигнальная функция

В поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков (рецепторы), способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, таким образом осуществляя прием сигналов из внешней среды и передачу команд в клетку.

7. Запасающая функция

В организме животных белки, как правило, не запасаются, исключение: альбумин яиц, казеин молока. У животных и человека при длительном голодании используются белки мышц, эпителиальных тканей и печени.
Но благодаря белкам в организме могут откладываться про запас некоторые вещества, например, при распаде гемоглобина железо не выводится из организма, а сохраняется, образуя комплекс с белком ферритином.

8. Энергетическая функция

При распаде 1г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж. Сначала белки распадаются до аминокислот, а затем до конечных продуктов — воды, углекислого газа и аммиака. Однако в качестве источника энергии белки используются только тогда, когда другие источники (углеводы и жиры) израсходованы (по словам одного из биохимиков: использовать белки для получения энергии – все равно, что топить печь долларовыми купюрами).

9. Каталитическая (ферментативная) функция

Одна из важнейших функций белков. Обеспечивается белками — ферментами, которые ускоряют биохимические реакции, происходящие в клетках.

Ферменты, или энзимы, — особый класс белков, являющихся биологическими катализаторами. Благодаря ферментам биохимические реакции протекают с огромной скоростью. Вещество, на которое оказывает свое действие фермент, называют субстратом.

Транспортные белки — это группа белков, переносящие различные лиганды через клеточную мембрану и внутрь клетки, если организм одноклеточный, и между различными клетками (если организм многоклеточный).

Особенности транспортных белков

Есть несколько функций, которые белки выполняют в клетках. Это:

каталитическая;
строительная;
ферментативная;
энергетическая и др.

Все белковые молекулы приравниваются к гетерополимерам и отличаются различной длиной. Мономеры белков — это аминокислоты. Белок состоит из таких веществ как кислород, водород, углерод, азот. Практически во всех белках есть в составе сера, так как она считается основной составляющей аминокислот цистеина и метионина.

Транспортные белки могут внедряться в мембрану или секретироваться из клетки в виде растворов из ядра и органелл эукариотического организма.

Основные группы транспортных белков:

хелатирующие;
ионные;
транспортирующие.

Транспортная функция белков — это процесс участия белков в переносе веществ в клетки и за пределы клеток, а также внутри клеточного пространства.

В организме человека функция белков находит реализацию в транспорте крови и прочих жидкостей организма, имеющих в составе белковые молекулы.

Транспортная функция каждой группой упомянутых белков выполняется по-своему: в зависимости от скорости и направления транспорта. Принято считать, что белковая молекула может укладываться разнообразными способами, а также принимать разные формы и конформации. Все это зависит от:

условий pH;
уровня температуры;
наличия конкретных ионов.

Кроме того, структура определяется способом сворачивания полипептидной цепи внутри раствора — на это влияет последовательность аминокислот.

Специфика видов транспорта

Белки помогают осуществлять различные виды транспорта. Степень прохождения веществ через билипидный мембранный слой определяет перенос веществ через клеточную мембрану, который протекает в несколько этапов.

Чтобы клетка полноценно функционировала, в нее должны поступать:

углеводы;
аминокислоты;
ионы щелочных металлов.

Слои липидов для различных веществ являются практически непроницаемыми. Поэтому внутри мембраны есть специализированные транспортные белки — они переносят полярно заряженные соединения.

Такой транспорт веществ бывает:

активным. Он реализуется с помощью специализированных каналов внутри мембраны против градиента концентрации — в ходе процесса происходят определенные затраты энергии. Активный транспорт предполагает активное участие белков-переносчиков. Чтобы такой перенос состоялся, нужна энергия — транспортные белки ее получают в результате расщепления АТФ;
пассивным. Реализуется из области высокой концентрации в область низкой концентрации. При этом затрат энергии не наблюдается. Такой путь имеет вид диффузии, которая может быть простой и облегченной.

Облегченная и простая диффузия

Белки-переносчики обеспечивают облегченную диффузию. Этот вариант транспорта реализуют различные конформации белка — в процессе могут участвовать несколько белков или один.

При участии одной лишь транслоказы, то белок связывает вещество и сближается с другой стороной мембраны. После чего он отдает связанное вещество и возвращается в исходное положение.

Если участвует несколько белков, то один из них связывается с исходным веществом, передает его другому белку до того времени, пока вещество не доходит по цепи до другой стороны мембраны.

Пассивный транспорт может осуществляться по белкам-каналам. Эти каналы образуют водные поры — они находятся в открытом состоянии в определенный момент времени. Каналы служат средством транспортировки белков из одной клетки в другую.

Также вещества могут попасть в клетку с помощью эндоцитоза: в этом процессе принимают участие только специализированные транспортные белки.

Простая диффузия обеспечивает попадание в клетку разнообразных гидрофобных веществ вроде кислорода, азота, бензола, а также полярных молекул вроде воды и углекислого газа. Аминокислоты и моносахариды с помощью простой диффузии попасть в клетку не могут.

Что касается воды, то она диффундирует в клетку путем осмоса.

Осмос — односторонняя диффузия воды через полупроницаемую мембрану в раствор с более высокой концентрацией.

В растворе с высокой концентрацией есть молекулы растворителя, но в минимальной концентрации. В этот раствор при помощи диффузии просачивается растворитель из области вещества с меньшей концентрацией.

Основные функции транспортных белков

Внутри клетки между ядром и другими органоидами через клеточную мембрану осуществляется перенос веществ. Этот перенос возможен за счет ядерных пор, которые пронизывают два слоя белковой оболочки. В свою очередь, оболочки тоже состоят из белков.

Перенос веществ из цитоплазмы в ядро клетки происходит вместе со специальными белками, которые называются транспортинами. Именно они распознают вещества, которые нужно транспортировать, и образуют с ними связь. Белок-транспортин соединяется с белками ядерной поры, а затем распадается. После этого транспортные белки снова возвращаются в цитоплазму.

В процессе переноса белков из цитоплазмы к другим органоидам участвуют белки-переносчики. Вещества внутри организма также переносятся при помощи белков.

Гемоглобин переносит кислород.

Плазма крови всегда содержит транспортные белки.

Транспортные белки плазмы крови — сывороточные альбумины.

Транспортировка жирных кислот происходит при помощи альбуминов сыворотки крови, а гормонов щитовидной железы — при помощи транстиретина.

Альбумины помимо прочего переносят билирубин, разнообразные лекарства, ионы и прочие вещества.

Есть и другие примеры транспортных белков.

Миоглобин, белок скелетных мышц, переносит кислород, а глобулин — гормоны и витамины.

• Существует два основных типа мембранных транспортных белков: каналы и переносчики

• Ионные каналы катализируют быстрый и избирательный транспорт ионов по электрохимическому градиенту

• Транспортеры и насосы представляют собой белки-переносчики, которым необходима энергия для транспорта веществ против электрохимического градиента

• В каждой клетке несколько различных мембранных транспортных белков действуют как единое целое

Некоторые из транспортных белков находятся в плазматической мембране, в то время как другие входят в состав мембраны клеточных органелл. Для поддержания определенного состава внутриклеточной среды и клеточных компартментов необходимо, чтобы транспортные белки обладали избирательностью по отношению к определенным метаболитам. В зависимости от характера процесса транспорта мембранные транспортные белки подразделяются на две группы: каналы и переносчики.

Канальные белки содержат поры, через которые при открытом канале с высокой скоростью проходят метаболиты. Белок-переносчик связывает метаболит, находящийся по одну сторону мембраны, после чего конформация его меняется, и метаболит высвобождается с другой стороны мембраны.

Существует несколько типов белков, образующих каналы в мембранах. Порины, присутствующие в клетках некоторых прокариот, в митохондриях и в нексусах, где соединяется цитоплазма соседних клеток, обеспечивают прохождение метаболитов в соответствии с размером их молекул.

К более селективным каналам относятся комплексы ядерных пор и каналы, обеспечивающие перемещение белков через мембрану эндоплазматического ретикулума. В статьях на сайте будут рассмотрены ионные каналы и аквапорины, через которые осуществляется селективный трансмембранный перенос ионов и молекул воды соответственно. К настоящему времени описано более 100 различных типов канальных белков. Все они обладают следующими характеристиками:
• селективностью по отношению к переносимому метаболиту,
• высокой скоростью переноса метаболита и
• воротным механизмом, регулирующим транспорт метаболитов.

Участок канального белка, через который осуществляется трансмембранный транспорт, называется порой канала. Канал может находиться в нескольких различных конфигурациях. Некоторые каналы состоят из одного белка, трансмембранные сегменты которого образуют пору. Другие существуют в виде олигомеров, состоящих из идентичных или разных субъединиц, которые вместе образуют пору.

Наконец существуют каналы, состоящие из двух и более субъединиц, каждая из которых сама образует пору. Часто комплексы олигомеров каналов регулируются или позиционируются на определенных мембранах с участием дополнительных субъединиц.

Большинство канальных белков обладают высокой селективностью в отношении определенных метаболитов, например ионов натрия (Na+), калия (К+), кальция (Са2+), хлорида (Сl-) или воды. Другие канальные белки являются неселективными катионными или анионными каналами. Как будет показано далее, при рассмотрении свойств специфических канальных белков, их поры характеризуются определенными структурными особенностями, т. е. являются селективным фильтром, который позволяет им проявлять избирательность по отношению к различным метаболитам.

Каналы и переносчики представляют собой два основных типа белков мембранного транспорта.
Растворенные метаболиты с максимальной скоростью диффундируют через пору каналов,
а переносчики связывают метаболит с одной стороны мембраны, затем претерпевают конформационные изменения и высвобождают его с другой стороны.
Этот процесс протекает значительно медленнее.

Направление потока ионов растворенных веществ через канал определяется электрохимическим градиентом. Иными словами, метаболиты движутся через канал в энергетически-выгодном направлении, т. е. по электрохимическому градиенту. Например, для покоящейся клетки, схематически изображенной на рисунке ниже, существует направленный в клетку ионный поток через Na+-, Са2+-, Cl--каналы, и противоположный, проходящий через К+-каналы.

Так как других источников энергии, кроме электрохимического градиента, в данном случае не используется, то такой тип транспорта называется пассивным. Канальные белки обеспечивают высокую скорость транспорта. Так, для ионных каналов скорость составляет 108 в 1 с, что близко к максимальной скорости диффузии ионов в водной среде.

Транспортные мембранные белки контролируют различные клеточные функции при участии воротного механизма. В основе этого механизма лежит индукция конформационных изменений в белке в ответ на воздействие определенного стимула. Эти изменения приводят к открытию или закрытию канала. Например, открытие и закрытие ионных каналов могут регулироваться лигандами, величиной электрического потенциала, механическими или температурными воздействиями. Активация каналов может происходить очень быстро, что делает их идеальным инструментом обработки поступающих в клетку сигналов.

Например, передача нервного импульса зависит от электрического заряда, который создается ионным каналом в мембране. Каналы также играют важную роль в регуляции объема клетки и внутриклеточного pH, в транспорте солей и воды через эпителиальные клетки, в закислении внутриклеточных органелл и во внеклеточной передаче сигналов.

Транспортеры и насосы представляют собой два основных типа белков-переносчиков.
Транспортеры делятся на три типа, каждый из которых осуществляет один из типов переноса: унипорт, симпорт, или антипорт.
Показано направление электрохимического градиента через мембрану.
В зависимости от типа белка-переносчика транспорт может происходить или в направлении градиента (от высокой концентрации к низкой), или против него.

При транспорте субстратов против градиента концентрации, белки-переносчики используют свободную энергию электрохимического градиента, АТФ или других источников. Поскольку при этом происходит потребление энергии, процесс носит название активный транспорт. Белки-переносчики подразделяются на две группы, транспортеры и насосы.

Для транспортировки субстратов через мембрану транспортеры используют энергию электрохимического градиента. Они подразделяются на унипортеры, симпортеры (или котранс-портеры) и антипортеры (обменники). Для энергозависимого транспорта метаболитов мембранные насосы используют энергию, например высвобождающуюся при гидролизе АТФ. По сравнению с канальными белками, переносчики характеризуются более медленной скоростью транспорта, порядка 1000 молекул в 1 с.

Различают два типа активного транспорта, первичный и вторичный. Белки-переносчики, осуществляющие первичный активный транспорт, в качестве источника энергии используют АТФ и транспортируют метаболиты против электрохимического градиента. Таким образом, они помогают поддерживать градиент концентрации метаболитов по обеим сторонам мембран клетки. Са2+-АТФаза и Na+/К+-АТФаза являются характерными примерами транспортных насосов, которые управляют процессом первичного активного транспорта.

Белки-переносчики, которые участвуют во вторичном активном транспорте, непосредственно не используют энергию АТФ. Вместо этого они используют свободную энергию электрохимического градиента, который возникает за счет первичного активного транспорта. Вторичный активный транспорт происходит с участием симпортеров и антипортеров. Механизмы транспорта метаболитов представлены на рисунке ниже.

В клетке все типы мембранных транспортных белков-каналы, транспортеры и насосы-функционируют совместно. Таким образом, работа какого-либо одного типа транспортного белка зависит от работы других. В данной главе мы рассмотрим несколько примеров такого взаимодействия транспортных белков. Например, ионный градиент по обеим сторонам мембраны поддерживается за счет сложных взаимодействий между различными типами транспортных белков. Для правильного функционирования эпителиальных клеток, например почек, слизистой кишечника и легкого, необходимо протекание транспортных процессов с участием различных ионов и метаболитов. Мы также рассмотрим роль нарушений процессов транспорта в развитии различных заболеваний.

Транспорт растворенных метаболитов через мембрану может быть пассивным или активным.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Читайте также: