Химия белка - Часть 2 - Избранные разделы частной химии белка - Ашмарин И. П 1968

Белки плазмы
Белки - переносчики метаболитов

Большинство протеинов плазмы в той или иной степени участвует в переносе продуктов обмена веществ и других соединений, попадающих в кровеносное русло. Наиболее важную роль в этих процессах играет сывороточный альбумин. Содержание альбумина в крови равно 4,0—5,0 г%, т. е. на его долю приходится около 60% всех белков плазмы. Он синтезируется в печени, причем скорость обновления его сравнительно невелика — за 20—25 дней образуется около 50% всего альбумина, циркулирующего в кровеносном русле.

Молекулярный вес альбумина 69 000. Наличие единственной концевой а-аминогруппы позволяет считать, что его молекула состоит только из одной полипептидной цепи, которая в результате внутримолекулярных взаимодействий образует элипсоидальную глобулу. В физиологических условиях в плазме имеется только один вид молекул альбумина. Но при pH ниже 4 происходит структурная перестройка (изомеризация) альбумина, и из так называемой N-формы он переходит в F-форму, имеющую иную растворимость в водных солевых растворах и отличающуюся по электрофоретической подвижности.

Способность альбумина вступать в соединение с различными веществами обусловлена тем, что в его молекуле содержится 55 ε-аминогрупп лизина, высокоактивные тиоловые и имидозольные группы, а также большое количество карбоксильных групп (активность последних при физиологических значениях pH относительно невелика). Благодаря наличию большого числа реакционноспособных участков молекулы альбумина легко присоединяют ионы меди, цинка, марганца, хрома, хлора, иода, а также многочисленные продукты обмена, поступающие в кровеносное русло. Глобулиновые фракции также связывают различные ионы, но количество переносимых ими анионов и катионов относительно невелико. Альбумин соединяется с гормонами, токсинами и различными лекарственными веществами, всасывающимися в кровь. Теплота образования этих комплексов сравнительно невелика (2500—8000 кал/моль), и они легко диссоциируют при изменении pH, ионной силы среды или наличии в тканях каких-либо компонентов, образующих более прочные соединения с данным веществом. Способность к обратимой диссоциации имеет первостепенное значение для осуществления альбумином, а также и другими белками их транспортной и дезинтоксикационной функции.

Таблица 4 Функциональная систематика белков плазмы

Благодаря небольшому молекулярному весу альбумин и связываемые им соединения сравнительно легко проходят через стенку сосудов. Попадая в органы и ткани, в которых происходит ассимиляция метаболитов, комплексы диссоциируют, а освобожденный альбумин переходит обратно в кровеносное русло. Таким путем осуществляется перенос жирных кислот, витаминов и гормонов, а также выведение из организма билирубина и некоторых других токсических продуктов.

Как было показано Гудманом и его сотрудниками, альбумин прочно связывает основную массу жирных кислот, отщепляемых из хиломикронов особым сывороточным ферментом — липазой липопротеинов. При понижении содержания альбуминов в плазме нарушается нормальный транспорт липидов и повышается их отложение в жировых депо. Это приводит к тому, что развивается жировая дистрофия печени, вызывающая дальнейшее торможение биосинтеза альбумина и прогрессирование патологического процесса.

Влияние альбумина на обмен веществ может быть проиллюстрировано также и на примере гормональной регуляции. Как известно, гормоны оказывают воздействия на многие процессы, протекающие в организме. Связывание с белками ведет к снижению их физиологической активности и за счет блокировки реакционноспособных участков гормона и более медленного поступления образующихся крупномолекулярных агрегатов из кровеносного русла в ткани. В настоящее время показано, что основная масса гормонов, содержащихся в крови, находится в связанном, неактивном состоянии, причем очень важную роль в регулировании гормональной активности играет именно альбумин. О его значении свидетельствует тот факт, что от 72 до 85% кортикостероидов, циркулирующих в кровеносном русле, находится в связанном состоянии, образуя комплекс с альбумином (С. Я. Канланский). Еще более высокая степень комплексообразования характерна для эстрогенов (98—99%). Интересно отметить, что связывание одного из гормонов молекулой альбумина практически не влияет на его способность присоединять другие гормонально-активные вещества. Видимо, различные гормоны присоединяются к различным участкам молекулы альбумина.

Важную роль играет альбумин в регуляции коллоидно-осмотического давления н в перераспределении воды между кровеносным руслом и тканями. Осмотическая активность альбумина связана с высокой гидрофильностью его молекул, способных связывать большое количество воды. Подробнее этот вопрос будет освещен при рассмотрении регуляторных функций плазменных белков.

В отличие от альбумина, взаимодействующего с большим числом различных метаболитов, транспортная функция глобулинов характеризуется значительно большей специфичностью. Как правило, каждый из глобулинов реагирует только с одним или несколькими сходными по своим свойствам соединениями. В качестве примера можно указать на избирательное взаимодействие тироксинсвязывающего глобулина с тироксином или кортикостероидов с белком транскортином, гемоглобина с гаптоглобином, трансферина с ионами железа и т. д.

Переносчики гормонов — тироксин-глобулин и транскортин — содержатся в крови в очень небольших количествах, а их химический состав и структура изучены слабо. Значительно полнее и глубже исследованы состав, свойства и физиологическое значение гаптоглобина.

Гаптоглобин — гликопротеид плазмы, содержащий около 20% углеводов, входит в состав а₂-глобулиновой фракции. В плазме здоровых людей на его долю приходится 1,0—1,7% общего количества белков (0,6—1,4 г/л). Благодаря способности образовывать прочные комплексы с гемоглобином, освобождающимся при распаде эритроцитов, гаптоглобин играет важную роль в процессах реассимиляции железа. Высокомолекулярный гемоглобин — гаптоглобиновый комплекс — захватывается клетками ретикуло-эндотелиальной системы, в результате чего свободный гемоглобин не выводится из организма, предотвращая потерю железа, необходимого для ресинтеза гемоглобина. Содержание гаптоглобина в крови резко возрастает при многих инфекционно-воспалительных и некротических процессах. Увеличение его концентрации приводит к повышению содержания а2-глобулиновой фракции, столь характерному для вышеуказанных патологических процессов.

Вопрос о месте биосинтеза гаптоглобина окончательно не выяснен, но, по-видимому, он образуется в печени из тканевых мукопротеидов, поступающих туда в результате распада тканей. Необходимо отметить, что скорость биосинтеза этого протеина очень велика — период полуобновления его равен всего 4—5 дням, т. е. в несколько раз меньше, чем у большинства белков плазмы. Благодаря высокой скорости биосинтеза гаптоглобина изменение его содержания в крови является одним из наиболее ранних и тонких показателей развития многих патологических процессов.

Изучение физико-химических характеристик гаптоглобина позволило выявить одну из чрезвычайно интересных и важных особенностей белков плазмы — их полиморфизм, т. е. наличие в крови нескольких видов белковых молекул, имеющих одинаковый. химический состав, обладающих общей функциональной активностью, но отличающихся по своим физико-химическим свойствам. Используя метод электрофореза в крахмальном геле, Смитис в 1955 г. установил существование трех видов гаптоглобина, представляющих собой полимерные формы основной молекулы. В зависимости от степени полимеризации и электрофоретической подвижности различают мономер гаптоглобина Нр—1—1 с молекулярным весом 85 000, обладающий наибольшей подвижностью, крупнополимерную форму Нр—2—2 с молекулярным весом 165 000 и низкой электрофоретической подвижностью и, наконец, вариант Нр—2—1, состоящий из нескольких полимерных форм, молекулярный вес и подвижность которого занимают промежуточное значение между Нр—1 — 1 и Нр—2—2.

В настоящее время установлено, что полиморфизм характерен и для других плазменных белков, в том числе у-глобулинов, трансферрина, церулоплазмина, липопротеидов и некоторых ферментов крови. Структурные особенности белков, определяющие их принадлежность к той или иной полиморфной форме, передаются по наследству, и это свойство протеинов плазмы широко используется в клинической и судебномедицинской практике для установления индивидуальных особенностей крови.

Способностью специфически связывать продукты обмена гемоглобина обладает также и один из ß-глобулинов плазмы — гемопексин, избирательно взаимодействующий с гемом. Однако содержание этого белка в крови, а следовательно, и количество связываемого им гема незначительно. Наличие гаптоглобина и гемопексина обеспечивает сохранение основной массы железа в организме и возможность повторного использования его для ресинтеза гемоглобина и других железосодержащих белков.

Однако некоторая часть железа постоянно выделяется из организма и должна восполняться за счет внешних источников. Важная роль в этом процессе принадлежит особому белку, избирательно связывающему ионы железа, — трансферрину (сидерофилину).

По электрофоретической подвижности трансферрин относится к ß₁-глобулинам. Содержание его в плазме равно 2,0— 3,0 г/л (около 3,0% от общего количества белка), молекулярный вес — около 90 000, изоэлектрическая точка — 5,9. Трансферрин, как и большинство других а- и ß-глобулинов, синтезируется в печени. Период его полуобновления равен приблизительно 10 дням. Он образует с железом обратимо-диссоциирующий комплекс, устойчивый при pH выше 6,5 и легко диссоциирующий в более кислой области. Так как в нормальных условиях потребность в железе сравнительно невелика, трансферрин, циркулирующий в кровеносном русле, насыщен железом только па 1/3 своей железосвязующей емкости. Остальные ²/₃ реактивных групп, способных специфически присоединять ионы железа, составляют своеобразный резерв, используемый при кровопотере и других состояниях, при которых возникает необходимость в повышенной ассимиляции железа. Резервная емкость трансферрина используется и при избыточном поступлении железа в организм, в этом случае он предотвращает токсическое действие свободных ионов железа. Наряду со специфической транспортной функцией трансферрин обладает также бактериостатической активностью и играет роль в защите организма от бактериальных инфекций.

К металлсвязывающим протеинам плазмы относится и белок, избирательно взаимодействующий с ионами меди, — церулоплазмин. Этот протеин обладает ферментативной активностью оксидазы. Один моль церулоплазмина (молекулярный вес 150 000) связывает 8 молей меди, причем половина этого количества прочно удерживается белком, а остальные 4 моля могут легко отщепляться от протеина. Церулоплазмин выполняет роль переносчика меди, препятствует избыточному накоплению ее в крови и играет важную роль в процессе ассимиляции железа. Содержание церулоплазмина в плазме невелико, в среднем оно составляет 0,2—0,3 г/л (0,28—0,5% от общего количества белков плазмы). Биосинтез этого глобулина также происходит в печени. Понижение уровня церулоплазмина в крови, наблюдаемое при некоторых поражениях печени, приводит к тому, что в кровеносном русле появляется значительное количество свободных ионов меди, оказывающих токсическое воздействие на клетки головного мозга. В результате возникает тяжелое заболевание — генатолентикулярная дистрофия, или болезнь Вильсона — Коновалова.

Весьма важную в физиологическом отношении группу белков составляют гликопротеиды и мукопротеиды. Хотя углеводы входят в состав почти всех глобулинов плазмы, но количество их в большинстве белков, как правило, невелико, и только в глико- и мукопротеидах содержится большое количество углеводных компонентов.

Гликопротеиды представляют собой сложные белки, содержащие от 10 до 20% углеводов и до 4% аминосахаров. Для мукопротеидов характерно еще более высокое содержание углеводных компонентов и аминосахаров. Кроме того, в плазме имеются углеводно-полипептидные комплексы — мукоиды, содержащие от 40 до 70% сахаров. К их числу относятся особые вещества — агглютинины, обусловливающие принадлежность крови к определенной группе (О, А, В, AB).

Полисахаридная цепь глико- и мукопротеидов состоит из d-галактозы, d-манозы, l-фруктозы, d-глюкозамина, нейраминовой и N-ацетилнейраминовой (сиаловои) кислот. Структура гликопротеидов и роль входящей в их состав полисахаридной цепи (или цепей) сравнительно мало изучены, но установлено, что углеводным компонентам принадлежит важная роль в стабилизации структуры белков и, в частности, в повышении их теплоустойчивости. Хорошо известно, что ряд гликопротеидов сохраняет свою стабильность даже при кипячении. В качестве примера термостабильных мукопротеидов можно назвать орозомукоид, который не выпадает в осадок даже при нагревании плазмы до 100° С. Наличие в молекуле многих глико- и мукопротеидов концевой сиаловой кислоты обусловливает высокий отрицательный заряд этих белков и повышает их устойчивость к воздействию протеолитических ферментов.

Углеводные цени не только стабилизируют структуру протеидов, но имеют прямое отношение к их функциональной активности. Так, например, было показано, что отщепление нейраминовой кислоты от гонадотропного гормона ведет к его полной инактивации.

Используя различные препаративные и аналитические методы, глико- и мукопротеиды плазмы можно разделить на ряд подфракции: a₁-глнкопротеиды, a₁-мукопротеиды, а₂-гликопротеид, гаптоглобин, а₂-мукопротеиды.

Значительная часть глико- и мукопротеидов синтезируется в печени. Об этом свидетельствует прежде всего тот факт, что при циррозах, гепатите и некоторых других поражениях клеток печени снижается скорость синтеза гликопротсидов, и их уровень в крови заметно падает. Одновременно отмечается резкое увеличение количества мукопротеидов в плазме. В связи с этим было высказано предположение о том, что при повреждении тканей происходит переход тканевых мукопротеидов в кровеносное русло. Однако различия в составе углеводных компонентов, отщепляемых при гидролизе мукопротеидов, выделенных из тканей и крови, опровергают эту точку зрения и свидетельствуют о том, что повышение содержания мукопротеидов в плазме обусловлено не перераспределением, а активацией процессов их синтеза. Роль продуктов тканевой деструкции заключается в том, что они стимулируют биосинтез определенных групп плазменных белков.

Благодаря тесной взаимосвязи между уровнем глико- и мукопротеидов плазмы и процессами тканевой деструкции определение общего содержания и фракционного состава этих протеидов представляет значительный интерес для диагностики ряда воспалительных и некротических процессов. Используя метод специфической окраски электрофореграмм, можно выявить распределение глико- и мукопротеидов между основными фракциями плазмы и определить относительное содержание углеводных компонентов в каждой из них. Подобные исследования имеют значение для диагностики таких заболеваний, при которых общее содержание гликопротеидов остается без существенных изменений, а их соотношение в отдельных фракциях резко изменяется. Так. например, при некоторых понижениях соединительной ткани (коллагенозах) содержание гексозаминов в а₁-гликопротеидах возрастает па 80%, в то время как общее количество аминосахаров остается в пределах нормы (Розенфельд).

Чрезвычайно интересную, но до сего времени мало изученную группу белков составляют липопротеиды, основной физиологической функцией которых является связывание и транспорт липоидов, а также перенос жирорастворимых веществ и некоторых витаминов. Содержание липопротеидов в плазме человека составляет 7—8 г/л (около 10—12%). Используя электрофорез, дифференциальное центрифугирование в солевых растворах возрастающей концентрации и другие методы разделения белков, удалось показать физико-химическую гетерогенность этих компонентов плазмы.

Таблица 5 Физико-химические свойства липопротеидов плазмы

Липопротеиды в зависимости от их электрофоретической подвижности и плотности могут быть разделены на две основные группы: 1) липопротеиды с низкой плотностью (1,006— 1,064 г/мл), имеющие электрофоретическую подвижность ß-глобулинов, и 2) компоненты с высокой плотностью (1,064— 1,210 г/мл), перемещающиеся в зоне а-глобулинов. Физико-химические характеристики двух основных групп липопротеидов плазмы приведены в табл. 5.

Иммунохимический и седиментационный анализ липопротеидов свидетельствует о неоднородности а- и ß-липопротеидов. Каждая из этих фракций состоит, видимо, из нескольких индивидуальных белков, отличающихся по характеру полипептидных цепей, вторичной и третичной структуры, содержанию липоидов и скорости биосинтеза. Вопрос о природе и строении белково-липоидных комплексов, а также о месте образования липопротеидов до сего времени очень мало изучен.

Исходя из способности альбумина образовывать комплексы с липидами, попадающими в кровь, было высказано предположение о том, что липопротеиды плазмы представляют альбумино-липидные комплексы, а различия в их плотности и электрофоретической подвижности обусловлены разным соотношением белка и липоидов. Некоторые свойства альбумина и липопротеидов высокой плотности, в частности наличие одинаковых концевых аминогрупп, сходная растворимость в трихлоруксусной кислоте и способность связывать азопроизводные бензойной кислоты, весьма близки между собой. Но, как было показано Авиганом и Анфинсеном, а также и другими исследователями, гидролизаты обоих белков имеют различный пептидный состав, а следовательно, и сами протеины имеют различную структуру. По современным представлениям, липопротеиды — это особая группа белков, имеющих характерную структуру протеидного фрагмента, определенный состав и строение липидных группировок. Об этом свидетельствует постоянство содержания липоидных компонентов в каждой из фракций и их антигенные различия.

Часть липопротеидов плазмы имеет тканевое или клеточное происхождение; на это указывает иммунохимическое сходство тканевых и плазменных липопротеидов и то, что некоторые из них имеют ферментативную активность, специфическую для таких тканей, как печень, почки и костный мозг. Изучение общего содержания и фракционного состава липопротеидов плазмы имеет большое значение для клинической диагностики, ибо изменения в их соотношении позволяют судить о функциональном состоянии ряда органов и тканей. Уменьшение содержания а-липопротеидов наблюдается при некоторых формах цирроза печени, а увеличение — при хронической форме болезни Боткина (инфекционный гепатит); повышенная концентрация ß-липопротеидов характерна для таких заболеваний, как диабет и гипотиреоз. При заболевании почек (нефрозе) в крови появляется особый, отсутствующий в норме, липопротеидный компонент, располагающийся при электрофорезе в зоне между а- и ß-глобулиновыми фракциями.

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в изучении липопротеидов, в этой области остается еще много вопросов, требующих дальнейшего исследования. К их числу относится разработка более совершенных методов фракционирования липопротеидов, выяснение характера связей между липидными и пептидными группировками, дальнейшее изучение роли этих белков в процессах перераспределения липидов.

Наряду с альбумином, металлсвязывающими белками, глико- и липопротеидами в переносе метаболитов участвуют также преальбумин и некоторые другие протеины плазмы и лимфы. Связывающая способность белков, осуществляющих транспортные функции, настолько велика, что в нормальных условиях используется только часть реакционноспособных групп белка, а остальные представляют собой резерв, необходимый для компенсации тех или иных изменений обмена веществ, возникающих при различных физиологических и патологических состояниях.