Миоглобин — белок, отвечающий за транспортировку и хранение кислорода в мышечных тканях животных, включая человека. Он обеспечивает снабжение мышц кислородом во время физической активности, что критично для их функционирования и выносливости. Изучение структуры и функций миоглобина важно не только для биохимии и физиологии, но и для медицины, где его уровень может указывать на различные заболевания. Эта статья поможет читателям понять значение миоглобина, его роль в организме и влияние на здоровье.

Биологические функции миоглобина и отличие от гемоглобина

Из вышеизложенного можно сделать вывод о миоглобине, который является аналогом гемоглобина, отвечающего за связывание кислорода в легких и его транспортировку к клеткам для поддержания метаболических процессов. Напомним, что клеточное дыхание представляет собой сложный набор реакций, в ходе которых питательные вещества (углеводы, белки и жиры) окисляются до углекислого газа, воды и энергии. Эта энергия становится доступной клеткам в форме химического соединения, известного как АТФ:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 38 АТФ

Несомненно, между этими двумя белками существуют значительные различия, хотя оба они способны связывать кислород. Эти различия, вытекающие из особенностей молекулярной структуры, можно обобщить следующим образом:

• Миоглобин содержит лишь одну гемовую группу (в отличие от гемоглобина, у которого их четыре) и может удерживать только одну молекулу кислорода, в то время как гемоглобин способен связывать четыре молекулы.
• Способность этих белков связывать кислород зависит от парциального давления:
  • Гемоглобин связывает кислород при давлении около 90 мм рт. ст. и передает его при более низком давлении, но не ниже 40 мм рт. ст.
  • Миоглобин связывает кислород при давлении примерно 50/40 мм рт. ст. и отдает его только при давлениях около 5 мм рт. ст.

Эти различия приводят к следующим выводам:

• Гемоглобин, находящийся в красных кровяных клетках, аккумулирует кислород и передает его клеткам для осуществления обменных процессов в организме.
• Миоглобин, который в основном присутствует в мышечных волокнах, связывает и хранит кислород, возвращая его в мышечные ткани, когда парциальное давление кислорода падает ниже 5 мм рт. ст. Такие условия возникают в начале физической активности и во время интенсивных нагрузок, когда дыхание не может обеспечить достаточный приток кислорода. У морских млекопитающих уровень миоглобина так высок, что они способны задерживать дыхание на протяжении нескольких часов (например, киты).

Биохимия | Строение белков часть 2 | Гемоглобин и миоглобин

Норма миоглобина в крови и моче

Концентрацию миоглобина можно измерить в сыворотке крови с помощью простого химического анализа образца крови, взятого из вена.

Нормальные значения миоглобина меняются от человека к человеку и зависят от мышечной массы, возраста, расы.

Максимальным значением миоглобина в крови считается уровень в 90 нанограмм на миллилитр крови, как для мужчин, так и для женщин.

Из крови миоглобин может быть отфильтрован почками и переходит в мочу, где его концентрация также может быть измерена.

Максимальное значение миоглобина в моче считается нормальным при уровне 4 миллиграмма на литр мочи.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о миоглобине:

1. Функция хранения кислорода: Миоглобин — это белок, который находится в мышечных клетках и отвечает за хранение кислорода. Он позволяет мышцам эффективно использовать кислород во время физической активности, что особенно важно для выносливости и производительности.

2. Структура и сходство с гемоглобином: Миоглобин имеет схожую структуру с гемоглобином, который переносит кислород в крови. Оба белка содержат гемовую группу, которая связывает кислород, но миоглобин состоит из одной полипептидной цепи, в то время как гемоглобин состоит из четырех цепей.

3. Цвет мяса: Миоглобин придает мясу красный цвет. Чем больше миоглобина содержится в мышцах животного, тем темнее будет мясо. Например, мясо говядины имеет более высокий уровень миоглобина, чем мясо курицы, что объясняет разницу в цвете.

Миоглобин – мышечная выносливость или молекулярный акваланг

Отклонения уровня миоглобина

Если уровень миоглобина в сыворотке крови выходит за пределы нормы, это состояние называется миоглобинемия. В случае, когда лабораторные исследования выявляют повышенное содержание миоглобина в моче, речь идет о миоглобинурии. Если же показатели находятся ниже физиологически допустимого уровня, это указывает на низкий уровень миоглобина.

Причины высоких значений миоглобина в крови или моче

Высокие значения миоглобина почти всегда наблюдаются после разрушения мышечных волокон, что приводит к его высокой доступности в крови. Однако, причин, которые могут определить такое состояние, много, как физиологических, так и патологических.

Основными являются:

• Инфаркт сердца. При наличии ишемии (полное или частичное отсутствие притока крови) сердечной мышцы, происходит быстрое повышение уровня миоглобина. Все это позволяет диагностировать вероятность инфаркта по измерению уровня миоглобина. Конечно, данный тест не является специфичным.
• Травмы мышц. Все мышцы могут оказаться в таком состоянии, что происходит повышение уровня миоглобина между мышечными волокнами.
• Чрезмерная физическая работа, особенно без необходимой подготовки. Например, участие в беговом марафоне без предварительных тренировок.
• Наследственные причины, то есть генетические факторы.
• Ожоги с повреждением больших масс мышц.
• Почечная недостаточность.
• Отравления химическими веществами и некоторыми лекарственными препаратами.
• Миозит, т.е. воспаление скелетных поперечно-полосатых мышц.
• Мышечная дистрофия. Набор дегенеративных заболеваний, которые вызывают атрофию мышц из-за дефицита белка дистрофина, необходимого для формирования физиологической структуры мышечных волокон.

PROСТО О СЛОЖНОМ Гемоглобин и миоглобин, биохимия №4

Риски высокого уровня миоглобина

Когда миоглобин из крови попадает в почки, где он фильтруется и выводится с мочой, повышенное содержание миоглобина может вызвать почечную недостаточность. Это происходит из-за нефротоксического воздействия миоглобина, который способен нанести вред почечным канальцам, составляющим часть нефронов.

Причины низкого уровня миоглобина

Очень маленькие значения миоглобина могут быть вызваны:

• Проблемами иммунной системы, которые может выделять антитела против миоглобина в крови.
• Миастения. Заболевание характеризуется мышечной слабостью, вызванной недостаточностью иммунной системы, которая производит антитела, блокирующие холинергические рецепторных, подавляя выработку ацетилхолина, который отвечает за передачу нервных импульсов.

Тем не менее, это состояние не представляет особого риска для здоровья.

Миоглобин – белок, который связывает кислород и поставляет его скелетным мышцам. Его концентрация в крови возрастает при повреждении скелетных мышц или миокарда.

Синонимы английские

Myoglobin.

Метод исследования

Иммунотурбидиметрия.

Единицы измерения

Мкг/л (микрограмм на литр).

Какой биоматериал можно использовать для исследования?

Венозную кровь.

Как правильно подготовиться к исследованию?

• Не принимать пищу в течение 2-3 часов перед исследованием (можно пить чистую негазированную воду).
• Исключить физическое и эмоциональное перенапряжение в течение 30 минут до исследования.
• Не курить в течение 30 минут до исследования.

Общая информация об исследовании

Миоглобин и гемоглобин относят к гемопротеинам, они содержат порфириновое производное — гем, который обеспечивает их красный цвет и способность взаимодействовать с О2. Гемоглобин ответственен за транспорт кислорода, а миоглобин – за его депонирование. Механизм действия обоих белков обуславливается строением гема, состоящего из двухвалентного железа и порфирина. Именно молекула гема отвечает за тропность белков к кислороду. Миоглобин связывает переносимый гемоглобином кислород, создавая депо О2. Когда в организме начинается кислородное голодание (после тяжелой физической нагрузки), он освобождает связанный кислород и «передает» его окислительным системам клеток, где запускается процесс окислительного фосфорилирования, в результате которого образуется необходимая для работы мышц энергия.

Миоглобин фильтруется почками и выводится из организма с мочой. Если происходит массивное повреждение мышц, например, в результате серьезной травмы, он начинает в больших количествах поступать в кровь и может повреждать почки, вызывая острую почечную недостаточность. При отсутствии воспалений или повреждений мышечной ткани он практически не фиксируется в крови. Это его свойство используется для уточнения диагноза «инфаркт миокарда».

Для чего используется исследование?

Анализ на миоглобин, как правило, назначается вместе с другими маркерами повреждения сердечной мышцы, такими как креатинкиназа МВ, и используется для того, чтобы подтвердить или исключить инфаркт миокарда у пациентов с острой болью в сердце или другими симптомами.

Миоглобин начинает повышаться через 1-2 часа после повреждения миокарда, достигает своего пика через 8-12 часов и к концу дня обычно приходит в норму. Тропонин – «золотой стандарт» в определении инфаркта, так как он является более специфичным, однако преимущество миоглобина состоит в том, что он реагирует максимально рано, тем самым позволяя быстрее поставить диагноз. С другой стороны, необходимо понимать, что миоглобин может повышаться и без повреждения сердечной мышцы. Таким образом, отрицательный результат анализа на миоглобин исключает инфаркт, положительный – требует подтверждения тропонином.

Иногда тест на миоглобин необходим людям с серьезными травмами для того, чтобы определить вероятность поражения почек.

Когда назначается исследование?

Анализ на миоглобин назначается при подозрении на острый инфаркт миокарда. Кровь берут сразу при поступлении пациента в стационар и потом еще несколько раз через каждые 2-3 часа.

Такой тест обычно назначается вместе с другими маркерами повреждения сердечной мышцы, такими как креатинкиназа МВ и тропонин, что позволяет более уверенно судить о наличии или, напротив, отсутствии острого повреждения сердечной мышцы.

Кроме того, это исследование может понадобиться после массивных повреждений скелетной мускулатуры, чтобы оценить риск повреждения почек и острой почечной недостаточности.

Что означают результаты?

Референсные значения: 0 — 70 мкг/л.

Обычно содержание миоглобина в крови настолько несущественно, что даже не может быть измерено.

Повышение уровня миоглобина в крови говорит о недавнем повреждении скелетных или сердечной мышц. Назначение тропонина или креатинкиназы МВ позволяет уточнить причину повышения миоглобина. Если в течение 12 часов боли в грудной клетке повышения миоглобина не произошло, вероятность инфаркта миокарда крайне маловероятна.

Так как миоглобин, помимо сердца, содержится еще в скелетной мускулатуре, он может повышаться и в других ситуациях:

1. синдром длительного сдавливания (краш-синдром) возникает в результате раздавливания или размозжения мышечной ткани, а также длительного прекращения кровотока по конечности;
2. любые травмы;
3. после хирургических операций;
4. судороги любого происхождения;
5. любые заболевания, приводящие к повреждению мышц: дерматомиозит, полимиозит, мышечная дистрофия и др.

Что может влиять на результат?

• Злоупотребление амфетаминами и алкоголем повышает уровень миоглобина.
• Так как миоглобин выводится через почки, его уровень может быть повышен при почечной недостаточности.

Важные замечания

• Внутримышечные инъекции и физическая нагрузка не влияют на уровень миоглобина в крови.
• Повышенный уровень миоглобина – недостаточное основание для постановки диагноза «инфаркт миокарда». Необходима комплексная оценка состояния пациента, которую может провести только врач. При этом учитывается характер болевого синдрома, история развития заболевания, ЭКГ, результаты других лабораторных и инструментальных обследований.
• В норме миоглобин не определяется в моче, настолько его в ней мало. Если уровень миоглобина повышается так, что его становится возможным измерить, то это указывает на вероятность почечной недостаточности.

Также рекомендуется

• Тропонин I
• Креатинкиназа общая
• Креатинкиназа МВ
• Аланинаминотрансфераза (АЛТ)
• Аспартатаминотраснфераза (АСТ)
• Лактатдегидрогеназа 1, 2 (ЛДГ 1, 2 фракции)

Кто назначает исследование?

Врач общей практики, терапевт, кардиолог.

Белки – это полимеры

Белки, или протеины, представляют собой нерегулярные полимеры, состоящие из мономеров, известных как аминокислоты. Протеины, содержащие от пятидесяти до нескольких тысяч аминокислотных остатков, классифицируются как белки. Молекулы с меньшим числом мономеров называются пептидами.

Белок состоит из одной или нескольких длинных неразветвлённых цепей, каждая из которых называется полипептидом и состоит из аминокислот, соединённых пептидными связями. Часто термины «белок» и «полипептид» используются взаимозаменяемо, что может приводить к недоразумениям. Для белка, состоящего из одной полипептидной цепи, оба термина являются синонимами.

В природе существует около 500 различных аминокислот, однако в процессе формирования белков обычно (но не всегда) участвуют только 20 из них, которые называют белокобразующими. Последовательность соединения мономеров в белке определяет его структуру и функции. Многие исследователи полагают, что аминокислоты были первыми органическими молекулами, возникшими на Земле, и, возможно, в океанах, существовавших в начале истории планеты, было множество их разновидностей.

Автотрофные организмы способны синтезировать все необходимые аминокислоты из продуктов фотосинтеза и неорганических соединений, содержащих азот. Гетеротрофы же получают аминокислоты из пищи. В организме человека и животных некоторые аминокислоты могут синтезироваться из продуктов обмена веществ, в первую очередь из других аминокислот. Такие аминокислоты называются заменимыми.

Существуют также незаменимые аминокислоты, которые не могут быть синтезированы организмом и должны поступать с пищей. Протеины, содержащие все незаменимые аминокислоты, называются полноценными. Неполноценные белки – это те, в которых отсутствуют некоторые незаменимые аминокислоты.

К незаменимым аминокислотам для человека относятся триптофан, лизин, валин, изолейцин, треонин, фенилаланин, метионин и лейцин. Для детей незаменимыми также являются аргинин и гистидин.

Полипептидные цепи могут быть очень длинными и включать разнообразные комбинации аминокислотных остатков. Каждый конкретный белок имеет строго определённый состав и последовательность аминокислот.

Белки, состоящие исключительно из аминокислотных остатков, называются простыми. Сложными считаются протеины, содержащие компоненты неаминокислотной природы, такие как ионы металлов (Fe2+, Zn2+, Mg2+, Mn2+), липиды, нуклеотиды, сахара и другие. Примерами простых белков являются альбумины крови, фибрин и некоторые ферменты, такие как трипсин. Сложные белки включают большинство ферментов и иммуноглобулины (антитела).

Состав аминокислот

Аминокислоты, как следует из их названия, содержат основную аминогруппу (— NH₂), а также кислотную карбоксильную группу (—COOH), обе они связаны с центральным атомом углерода. Углерод дополнительно скреплен с водородом и функциональной белковой группой, называемой радикалом (R). Эти компоненты полностью заполняют все связи центрального атома углерода.

Уникальный характер каждой аминокислоты определяется природой группы радикала. Обратите внимание, что если группа радикала не содержит атома водорода (Н), как в глицине, то аминокислота хиральна и может существовать в форме двух энантиомеров: d или L. В белках живых систем содержатся обычно α (L)-аминокислоты, а β (d)-аминокислоты встречаются крайне редко.

Группа радикала определяет химические свойства аминокислот – они могут быть полярными или неполярными, гидрофобными или гидрофильными. Серин с радикалом -CH₂OH является полярной молекулой, Аланин, который имеет –CH₃ как группу радикала – неполярен.

Существуют также основные аминокислоты (более чем с одной аминогруппой) и кислые аминокислоты (более чем с одной карбоксильной группой). Наличие дополнительной амино- или карбоксильной группы оказывает влияние на свойства аминокислоты, которые играют определяющую роль в формировании пространственной структуры белка.

В состав радикала некоторых аминокислот (например, цистеина) входят атомы серы. Все 20 аминокислот сгруппированы в пять химических классов, основанных на группе их радикала.

1. Неполярные аминокислоты, такие как лейцин, часто имеют в качестве радикала —CH₂ или —CH₃.
2. Полярные незаряженные аминокислоты, такие как треонин, с радикалом, содержащим кислород или гидроксильную группу (-OH).
3. Заряженные аминокислоты, такие как глутаминовая кислота, с радикалом, имеющим кислоты или основания, способные к ионизации.
4. Ароматические аминокислоты, такие как фенилаланин, имеющий группу радикала, содержащую органическое (углеродное) кольцо с чередованием одиночных и двойных связей. Они также неполярны.
5. Аминокислоты, обладающие особыми функциями и свойствами. Например, метионин, который часто является первой аминокислотой в цепи белков, пролин, вызывающий перегибы в цепях, цистин, связывающий цепи вместе.

Каждая аминокислота влияет на форму белка по-разному, в зависимости от химической природы боковых групп. Например, части белковой цепи с многочисленными неполярными аминокислотами сворачиваются внутрь своей цепи путём гидрофобного исключения.

Белки и пептидные связи

Каждая аминокислота, помимо своей радикальной группы, обладает положительно заряженной аминогруппой (NH3 +) с одного конца и отрицательно заряженной карбоксильной группой (COO -) с другого. Аминогруппы и карбоксильные группы двух аминокислот могут взаимодействовать в процессе дегидратации, в ходе которого выделяется молекула воды, и образуется ковалентная связь. Эта ковалентная связь между двумя аминокислотами называется пептидной. Аминокислоты, соединенные таким образом, не могут свободно вращаться вокруг связи N-C, что является ключевым аспектом формирования структуры белковых молекул.

Наличие как аминогруппы, так и карбоксильной группы придаёт аминокислотам амфотерные свойства, позволяя им проявлять как кислотные, так и основные характеристики, а также обеспечивая высокую реакционную способность.

Когда две аминокислоты соединяются, образуется дипептид. Один конец молекулы дипептида содержит свободную аминогруппу, а другой — свободную карбоксильную группу. Это позволяет дипептиду присоединять дополнительные аминокислоты, формируя олигопептиды. Если соединяются более 10 аминокислотных остатков, то получается полипептид.

Исследования Фредерика Сангера в начале 1950-х годов подтвердили, что каждый белок имеет уникальную аминокислотную последовательность. Для выделения аминокислот он применял химические методы, а затем определял их структуру. Сангер добился успеха в расшифровке аминокислотной последовательности инсулина, показав, что все молекулы инсулина имеют одинаковый состав аминокислот.

Уровни структурной организации белков

Форма белка определяет его функцию. Один из способов изучить что-то столь же маленькое как белок – посмотреть на него при помощи коротковолнового излучения, которое представлено рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи пропускают через белок для получения дифракции его узора. Эта картинка кропотливо анализируется и позволяет исследователю построить трёхмерное изображение молекулы с положением каждого её атома. Первым белком, проанализированным таким образом, был миоглобин; вскоре такому же анализу был подвергнут связанный с ним белок гемоглобин.

Когда было изучено достаточное количество протеинов, стал очевиден общий принцип их строения: в каждом исследованном белке все внутренние аминокислоты, такие как лейцин, валин и фенилаланин, неполярны. Тенденция воды к исключению неполярных молекул буквально толкает такие части цепи аминокислот внутрь протеина. Неполярные аминокислоты вынуждены тесно контактировать друг с другом, оставляя мало свободного места внутри молекулы. Полярные и заряженные аминокислоты концентрируются на поверхности белка, за исключением немногих, играющих ключевые функциональные роли.

Структура белков, как правило, описывается как иерархия четырёх уровней: первичного, вторичного, третичного и четвертичного. Мы рассмотрим эту точку зрения, а затем интегрируем её с более современным подходом, вытекающим из расширяющихся знаний о белковой структуре.

Первичная структура белков

Первичная структура белка представляет собой последовательность аминокислот, формирующую цепочку, состоящую из множества аминокислотных остатков, связанных пептидными связями. Эта структура является ключевой, поскольку именно она определяет форму, характеристики и функции белка. На основе первичной структуры формируются другие уровни организации молекулы.

Различные группы радикалов, которые отличают аминокислоты, не влияют на пептидную цепь белков, и протеин может включать любую комбинацию аминокислот. Поскольку каждая из 20 аминокислот может находиться в любом месте цепи, белок, состоящий из 100 мономеров, способен образовать одно из 20^100 возможных сочетаний аминокислотных последовательностей. Это свойство белков обеспечивает их разнообразие, однако каждый белок функционирует только при наличии определённой аминокислотной последовательности.

Вторичная структура белка

Боковые и пептидные группы полипептидных цепей могут образовывать водородные связи. Вторичная структура белка возникает в результате связывания атомов водорода NH-групп и кислорода CO-групп. Полипептидная цепь при этом спирально закручивается. Водородные связи слабые, но благодаря их большому числу они обеспечивают стабильность этой структуры. Спиральную конфигурацию имеют, например, молекулы кератина, миозина и коллагена.

Водородные связи пептидов могут образовываться с водой. Если связей с водой будет слишком много, белки не смогут приобрести глобулярной структуры. Лайнус Полинг предположил, что пептидные группы могут взаимодействовать друг с другом, если пептид свёрнут в спираль, которую он назвал α-спиралью. Этот вид регулярного взаимодействия в пептиде формирует его вторичную структуру.

Другая форма вторичной структуры формируется между зонами пептида, расположенными в один ряд, в результате чего получается плоская молекула, собранная в складки, называемая β-листом. Части белка могут быть либо параллельными, либо антипараллельными – в зависимости от того, являются ли смежные участки пептида ориентированными в одном или в противоположном направлении.

Эти два вида вторичной структуры создают зоны белка – цилиндрические (α-спирали) и плоские (β-листы). Конечная структура белка может включать области каждого типа вторичной структуры. Например ДНК-связывающие белки обычно имеют области α-спирали, которые могут лежать поперёк ДНК и взаимодействовать непосредственно с основаниями ДНК. Белки порины, образующие отверстия в мембранах, состоят из β-листов. В гемоглобине α и β-структуры (глобины) имеют в молекуле свои зоны.

Третичная структура белков

Окончательная форма химически связанных белков называется третичной. Она образуется благодаря образованию водородных, ионных и других связей, которые возникают в водной среде между различными атомными группами белковой молекулы вторичной структуры.

В некоторых белках ключевую роль в формировании третичной структуры играют дисульфидные связи (S–S) между остатками цистеина, аминокислоты, содержащей серу. В этом процессе полипептидная цепь сворачивается в компактный клубок (глобулу), при этом гидрофобные аминокислотные радикалы оказываются внутри глобулы, а гидрофильные располагаются на поверхности, взаимодействуя с молекулами воды. Третичная структура определяет уникальность белковых молекул и их биологическую активность. Примерами белков с такой структурой являются миоглобин (белок, который отвечает за запас кислорода в мышцах) и трипсин (фермент, расщепляющий белки пищи в кишечнике).

Стабильность третичной структуры обеспечивается рядом сил, среди которых:

• водородные связи между радикалами различных аминокислот;
• электростатическое притяжение радикалов с противоположными зарядами;
• гидрофобное исключение неполярных радикалов;
• ковалентные дисульфидные связи.

На стадии третичной структуры белки можно классифицировать по форме молекул на две группы:

• глобулярные – имеют округлую форму. К ним относятся глобулины и альбумины крови, фибриноген, гемоглобин;
• фибриллярные – характеризуются вытянутой, нитевидной формой. Примеры включают кератин, коллаген, миозин, эластин и другие.

Четвертичная структура белка

Когда два или более полипептида связываются с образованием функционального белка, отдельные его цепи называются субъединицами. Расположение этих субъединиц и есть четвертичная структура. Субъединицы в таких белках чаще всего неполярны, поэтому они не связаны химически и отвечают за отдельные виды деятельности. Прочность четвертичной структуры обеспечивается взаимодействием слабых межмолекулярных сил.

Четвертичная структура характерна для белка гемоглобина. Вспомните, что гемоглобин состоит из двух α-цепей и двух β-цепей, а ещё в его состав входит небелковый компонент – гем.

Субъединицы располагаются в их окончательной четвертичной структуре. Это конечная структура некоторых, но не всех белков. У протеинов, которые состоят только из одной полипептидной цепи, например у фермента лизоцима, конечной структурой является третичная.

Мотивы и домены – структурные элементы белков

Определение последовательности аминокислот в белках вручную – это весьма трудоемкий процесс. Однако ситуация изменилась благодаря открытию, что информация о белках может храниться в молекулах ДНК. Изначально геном человека был расшифрован вручную, но с появлением технологий следующего поколения процесс секвенирования значительно ускорился.

На сегодняшний день расшифровано свыше 40 000 бактериальных геномов и почти 8 000 геномов эукариот, включая 80 последовательностей генов млекопитающих. Поскольку состав ДНК напрямую связан с последовательностью аминокислот в белках, у биологов появилась обширная база данных, касающаяся структуры протеинов.

Новые данные побудили ученых задуматься о логике генетического кода и основных закономерностях белковой структуры. Исследователи по-прежнему рассматривают иерархическую систему из четырех уровней как ключевую, но в научный лексикон биологов также вошли новые термины, такие как мотив укладки и белковый домен.

Мотив укладки белковых молекул

Когда биологи обнаружили третичную структуру белка (ещё более трудоёмкая работа, чем определение последовательности аминокислот в цепи), они заметили сходные элементы, расположенные в непохожих белках. Подобные структуры называются мотивами, а иногда «сверхсекундными структурами». Термин «мотив» заимствован из искусства и относится к тематическому повторяющемуся элементу в музыке или дизайне.

Один общий мотив β-α-β образует так называемую «складку Россмана» у большого количества протеинов. Вторым часто встречающимся мотивом является β-баррель, который представляет собой β-лист, сложенный по кругу, чтобы сформировать трубку. Третий тип мотива – спираль-поворот-спираль, состоит из двух α-спиралей, разделённых изгибом. Его используют белки для связывания с молекулой ДНК.

Логику структуры мотивов укладки исследователи до сих пор не могут понять. Вероятно, если аминокислоты являются буквами в языке белков, то мотивы представляют собой повторяющиеся слова или фразы. Мотивы укладки помогли определить неизвестные функции белков, а база данных белковых мотивов используется для поиска новых неизвестных протеинов.

Мотивы укладки являются довольно консервативными и встречаются в белках, которые не имеют ни функциональных, ни эволюционных связей. Определение мотивов укладки лежит в основе физической, или рациональной классификации белков.

Белковые домены

Домены представляют собой функциональные элементы, которые можно представить в виде глобул, находящихся внутри более сложной структуры белков. Их можно считать субструктурами в рамках третичной структуры белка, аналогично «абзацам» в тексте. Большинство белков состоит из нескольких доменов, каждый из которых выполняет свою уникальную функцию.

Во многих случаях эти домены могут быть физически отделены друг от друга. Ярким примером являются факторы транскрипции — белки, которые связываются с ДНК и запускают процесс синтеза РНК на основе комплементарной ДНК. Исследования показали, что если поменять местами области, связывающиеся с ДНК, с факторами транскрипции, можно изменить специфичность фактора, не затрагивая его способность активировать транскрипцию. Эксперименты по замене доменов проводились с различными факторами транскрипции и продемонстрировали, что активационные и ДНК-связывающие домены функционируют независимо друг от друга.

Эти структуры также играют важную роль в процессе сворачивания белков. Когда полипептидная цепь формирует свою структуру, домены принимают правильные конфигурации. Это явление можно продемонстрировать экспериментально. Искусственное создание фрагмента полипептида, который формирует домен в полноценном белке, показывает, что этот фрагмент сворачивается в такую же структуру, как и у оригинала.

Процесс складывания, белки-шапероны

Первоначально биохимики думали, что новоиспечённые белки сворачиваются спонтанно, пробуя различные конфигурации, как гидрофобные взаимодействия с водой толкают неполярные аминокислоты внутрь белков до тех пор, пока не будет достигнута их окончательная структура. Оказалось, что эта точка зрения слишком проста. Цепи протеинов могут быть сложены многими способами, поэтому пробы и ошибки заняли бы слишком много времени. По мере того как первичная цепь складывается, приобретая финальную структуру, неполярные «липкие» внутренние участки во время промежуточных стадий обнажаются. Если эти промежуточные формы поместить в пробирку со средой, идентичной той, что внутри клетки, они прилипают к другим, и нежелательные белки-партнёры образуют клейкую массу.

Как клетки избегают того, чтобы их белки слипались в массу? Ответ на вопрос появился во время изучения необычных мутаций, которые спасают бактериальные клетки от размножения внутри них вирусов. При этом белки вирусов, произведённые внутри клетки, не могут сложиться как следует. Дальнейшее исследование помогло выяснить, что клетки содержат белки-шапероны, помогающие другим белкам складываться правильно.

В настоящее время молекулярные биологи выявили массу белков, действующих как шапероны. Это большой класс полимеров, который можно разделить на подклассы. Представители шаперонов были найдены в каждом исследуемом организме. Некоторые из них, называемые тепловыми шоковыми белками, вырабатывается в ответ на повышение температуры тела. Высокие температуры служат фактором денатурации белков, шоковые белки-шопероны помогают белкам правильно сворачиваться и в такой ситуации.

Один из хорошо изученных классов этих белков, названных шаперонинами, был изучен у кишечной палочки (Escherichia coli). У мутантов при инактивации шаперонинов 30% бактериального белка не складывались должным образом. Шаперонины собираются в комплекс, напоминающий цилиндрический контейнер. Белки могут заходить в этот контейнер, и даже неправильно сложенные молекулы складываются там заново.

Исследователи склонны думать о белках как о фиксированных структурах, но это не относится к шаперонинам. Их гибкость поразительна. Видимо, это нужно им для выполнения своих функций. Клетки используют эти белки для складывания некоторых молекул протеинов и восстановления их неправильной структуры.

Денатурация инактивирует белки

Еще одной ключевой характеристикой белков является то, что их активность проявляется только в строго определённых температурных условиях и в определённом диапазоне кислотности. При изменении окружающей среды белок может частично утратить свою структуру или полностью развернуться. Этот процесс называется денатурацией. Денатурация может происходить при изменении рН, температуры или ионной концентрации раствора. Она вызвана разрушением водородных, ионных, дисульфидных и других связей, которые поддерживают пространственную структуру белковых молекул. В результате этого процесса могут теряться четвертичная, третичная и даже вторичная структуры белка.

Денатурированные белки, как правило, теряют свою биологическую активность. Это особенно критично для ферментов, так как они играют важную роль в большинстве химических реакций, и их нормальное функционирование жизненно необходимо. До появления холодильников и морозильников единственным способом предотвращения размножения микроорганизмов в продуктах было их хранение в растворе с высокой концентрацией соли или уксуса, что приводило к денатурации ферментов микроорганизмов и, как следствие, к их подавлению.

Большинство ферментов действуют в узком диапазоне условий окружающей среды, и каждый из них имеет свои специфические параметры. Например, ферменты крови, функционирующие при рН около 7,4, быстро денатурируют в кислой среде желудка. В то же время протеолитические ферменты желудка, работающие при рН 2 или ниже, теряют активность в щелочной среде крови. У организмов, обитающих вблизи океанических гидротермальных источников, имеются ферменты, которые эффективно работают только при экстремально высоких температурах (до 100°С). Эти организмы не могут выжить в более холодной воде, так как их ферменты не функционируют должным образом при низких температурах.

Если условия окружающей среды возвращаются к норме, небольшой белок, сохранивший свою первичную структуру, может восстановиться. Этот процесс называется ренатурацией и происходит благодаря взаимодействию неполярных аминокислот с водой. Первоначально ренатурация была изучена на примере фермента рибонуклеазы, что подтвердило, что первичная структура определяет третичную структуру белка. Более сложные белки редко восстанавливаются из-за их сложной финальной структуры, и их денатурация часто бывает необратимой.

Важно различать денатурацию и диссоциацию. Субъединицы белков с четвертичной структурой могут диссоциировать (разделяться) без утраты своей индивидуальной третичной структуры. Например, молекула гемоглобина может распадаться на четыре молекулы (два α-глобина и два β-глобина) без денатурации свёрнутых глобиновых белков, которые легко восстанавливают свою четвертичную структуру.

МИОГЛОБИН (myoglobinum; греч. mys, my [os] — мышца + лат. globus — шарик; Mgb; синонимы: миогемоглобин, мышечный гемоглобин) — это сложный белок красного цвета, относящийся к хромопротеидам, который содержится в красных мышцах животных различных классов и видов. Основная функция миоглобина заключается в накоплении кислорода, который поступает в мышцы из крови в процессе дыхания, и его отдаче по мере необходимости.

Факторы, определяющие различия в содержании миоглобина, включают видовую принадлежность животных, условия их существования, образ жизни, тип мышцы, степень её активности, а также влияние нервной системы. Очень высокое содержание миоглобина (до 16—40 г на 100 г высушенной ткани) наблюдается у водных животных. Значительное количество миоглобина также содержится в красных мышцах некоторых беспозвоночных (например, моллюсков), в гладких мышцах мускульного желудка птиц, а также в гладкой мускулатуре бронхов, сосудов и стенок кишечника, а также в паренхиматозных органах, которые участвуют в процессах синтеза (печень), распада (селезенка) и выделения пигмента. Однако до сих пор не доказано, что пигмент, выделенный из паренхиматозных органов, идентичен миоглобину.

Таблица. Содержание миоглобина в сердечных и скелетных мышцах человека и некоторых классов позвоночных животных (в г на 100 г высушенной ткани)

Класс животных; человек	Мышцы сердца	Скелетные мышцы
Рыбы	0,2—0,5	0,1—0,4
Амфибии	0,1—0,6	0—0,1
Рептилии	0,8—2,6	0,2—2,4
Птицы:
домашние	1,0—2,0	0,9—1,8
дикие	2,1—6,5	0,7—5,3
Млекопитающие:
домашние	0,9—4,4	0,2—8,5
дикие	1,1—6,2	0,02—5,13
Человек	1,5	1,4—3,9

В норме миоглобин отсутствует в крови и моче. Его появление в этих биологических жидкостях является признаком заболеваний, связанных с разрушением тканей (например, инфаркт миокарда, травмы мышц, генетически обусловленная прогрессивная мышечная дистрофия и т. д.). Определение уровня миоглобина в плазме крови может служить критерием степени разрушения, динамики процесса и эффективности лечения.

Молекулярная масса миоглобина составляет в среднем 17 500, содержание железа — 0,34%. Изоэлектрическая точка находится при pH 6,99. Миоглобин обладает высокой растворимостью и устойчивостью к действию щелочей.

Изучена третичная структура миоглобина и построена пространственная модель его молекулы. Миоглобин состоит из простого белка — глобина, представляющего собой одну полипептидную цепь, в состав которой входит 153 аминокислотных остатка, и простетической (небелковой) группы — гема (железопротопорфириновый комплекс, или протогем). Полипептидная цепь глобина миоглобина на 77% состоит из альфа-спиральных участков (всего 8 спиралей), которые чередуются с участками неупорядоченной структуры, расположенными в области четырех изгибов полипептидной цепи. Все полярные группы, образованные лизином, аргинином, глутамином, аспарагином, гистидином, треонином, тирозином и триптофаном, находятся на поверхности и связаны с молекулами воды, в то время как неполярные остатки сосредоточены в центре. Это делает молекулу миоглобина компактной и устойчивой к изменениям pH и ионной силы раствора.

По своим свойствам глобин миоглобина близок к альбуминам. Гем миоглобина расположен в углублении, находящемся на определенном изгибе полипептидной цепи, близко к поверхности молекулы, что делает его более доступным для различных воздействий. Одной координационной связью (пятой) гем соединен с гистидиновым остатком альфа-спирали, а шестая координационная связь железа гема может быть занята водой, кислородом, окисью углерода или другими соединениями. При взаимодействии с кислородом (оксигенации) в глобине молекулы миоглобина не происходит структурных изменений. Пигмент мышц не способен связываться с двуокисью углерода (CO2).

Доказано существование двух конформеров (А и В) в нативном состоянии миоглобина, которые различаются по своим свойствам и структуре. Переход конформера А в конформер В происходит при повышении температуры от 20 до 40° и отражается на активности гема. Высокотемпературный конформер В менее реакционноспособен.

Форма кристаллов миоглобина у человека и животных различна: тонкие игловидные кристаллы, собранные в пучки (человек), ромбические таблички (рогатый скот) и другие. Подобно гемоглобину, миоглобин образует различные производные, отличающиеся по спектрам поглощения. При соединении с кислородом миоглобин превращается в оксимиоглобин (MgbO2), в котором железо гема находится в двухвалентном состоянии. Методом рентгеновской дифракции показано, что оксигенация миоглобина сопровождается пространственным смещением железа от центра порфиринового кольца в сторону проксимального гистидина (F-8) полипептидной цепи на 0,033 нм. В гемоглобине же оксигенация вызывает значительно большее смещение атома железа (0,04—0,05 нм) и изменения в четвертичной структуре всей молекулы пигмента крови.

Вдыхание животными воздуха с повышенным содержанием окиси углерода (0,01—0,2%) приводит не только к увеличению содержания карбоксигемоглобина в крови, но и к связыванию окиси углерода миоглобином с образованием карбоксимиоглобина (MgbCO), где железо гема также находится в двухвалентном состоянии. Когда уровень карбоксигемоглобина в крови достигает 60%, содержание карбоксимиоглобина в скелетных мышцах составляет 10—50%, а в сердечной мышце — от 6 до 44%. MgbCO был обнаружен и в мышцах людей, погибших от отравления угарным газом. Воздействие окислителей на миоглобин приводит к образованию метмиоглобина (метMgb). Превращение миоглобина в метMgb при окислении происходит очень легко и в 12—14 раз быстрее, чем образование метгемоглобина. В то же время в мышцах животных эта реакция после внутривенного введения окисляющих ядов происходит медленнее, чем окисление гемоглобина.

Максимумы полос поглощения миоглобина и его производных расположены при следующих значениях длин волн: для MgbO2 — 582, 542, 415 нм; для Mgb — 602, 560, 436 нм; для MgbCO — 585, 542, 423 нм; для метMgb — 630, 500, 409 нм. Известны и другие производные пигмента: сульфмиоглобин, нитроксимиоглобин, цианмиоглобин и т. д. В реакциях сопряженного окисления миоглобин переходит в зеленый пигмент — вердомиоглобин, а при более глубоком распаде — в желчные пигменты.

Биосинтез миоглобина происходит в мышцах с значительно меньшей скоростью по сравнению с гемоглобином. После введения животным меченого железа оно обнаруживается в гемоглобине уже через 6—8 дней, а в миоглобине только через месяц. Продолжительность существования миоглобина составляет 80 дней. В процессе эмбриогенеза миоглобин появляется в мышце сердца раньше всего.

В мышцах позвоночных миоглобин локализуется в саркоплазме на уровне диска А и связан электростатически с наружной мембраной митохондрий или саркоплазматического ретикулума. Создаваемый с помощью миоглобина резерв кислорода в мышцах определяется прежде всего концентрацией пигмента и его способностью к оксигенации и деоксигенации. Миоглобин поддерживает постоянный уровень оксигенации во время мышечного сокращения, создавая градиент кислорода между капиллярами и мышечными клетками, что обеспечивает возможность его утилизации при увеличении окислительных процессов в работающих мышцах. Благодаря высокому сродству к кислороду, полунасыщение миоглобина кислородом происходит менее чем за 0,1 секунды (при pO2 = 3,3 мм рт. ст.). При pO2, равном 5 мм рт. ст. (минимальное для активности цитохромоксидазы), диссоциирует до 40% оксимиоглобина, что увеличивает количество кислорода, растворенного в саркоплазме. Миоглобин участвует в молекулярном механизме транспорта кислорода в клетку, создавая градиент и ускоряя диффузию. Не исключена возможность непосредственного переноса кислорода миоглобином при поступательном движении молекулы пигмента. Благодаря наличию пероксидазных свойств миоглобин обладает ферментативной активностью. Доказано, что миоглобин может участвовать в работе фосфорилирующей дыхательной цепи в качестве акцептора электронов от восстановленных коферментов пиридинового типа (НАД-H и в меньшей степени НАДФ-Н).

Существующие методы количественной оценки содержания миоглобина включают электрофорез и ионообменную хроматографию. Разделение миоглобина и гемоглобина достигается благодаря их различной растворимости в 3 М фосфатном буфере при pH 6,6 (гемоглобин при этом значении pH нерастворим). Спектрофотометрическая регистрация количества миоглобина основана на различиях в светопоглощении карбокси- и цианметсоединений миоглобина и гемоглобина в видимой части спектра. Также предложены гистохимические методы определения миоглобина, основанные на бензидин-пероксидазной активности пигмента. Эти методы позволяют с достаточной точностью выявлять миоглобин в мышечной ткани и устанавливать закономерности в его локализации и распределении в норме, а также изменения при различных патологических состояниях.

Роль миоглобина в спортивной физиологии

Миоглобин — это белок, который играет ключевую роль в обеспечении мышечной ткани кислородом. Он содержится в скелетных и сердечных мышцах и отвечает за хранение и транспортировку кислорода, необходимого для энергетического обмена в мышцах. В отличие от гемоглобина, который переносит кислород в крови, миоглобин находится внутри мышечных клеток и способен связываться с кислородом более эффективно.

В спортивной физиологии миоглобин имеет несколько важных функций. Во-первых, он способствует быстрому обеспечению мышц кислородом во время интенсивной физической активности. Когда мышцы начинают работать, уровень кислорода в них может быстро снижаться, и миоглобин, благодаря своей способности к связыванию кислорода, начинает выделять его, что позволяет поддерживать аэробный метаболизм.

Во-вторых, миоглобин помогает в поддержании энергетического баланса в мышцах. Он не только хранит кислород, но и участвует в процессе его высвобождения, что особенно важно в условиях высокой физической нагрузки. Чем выше уровень миоглобина в мышцах, тем лучше спортсмен может справляться с длительными и интенсивными тренировками, так как это позволяет избежать быстрой усталости.

Кроме того, уровень миоглобина может варьироваться в зависимости от типа тренировки и физической подготовки спортсмена. У атлетов, занимающихся выносливостными видами спорта, такими как марафонский бег или триатлон, уровень миоглобина обычно выше, чем у спортсменов, занимающихся силовыми видами спорта. Это связано с тем, что выносливые тренировки способствуют увеличению объема мышечной ткани и, соответственно, повышению содержания миоглобина.

Также стоит отметить, что миоглобин может служить маркером для оценки состояния мышечной ткани. Повышение уровня миоглобина в крови может указывать на повреждение мышц, что часто наблюдается после интенсивных тренировок или травм. Таким образом, анализ уровня миоглобина может быть полезным инструментом для тренеров и врачей в мониторинге состояния спортсменов.

В заключение, миоглобин является важным белком, который играет ключевую роль в обеспечении мышечной ткани кислородом, что, в свою очередь, влияет на спортивные результаты и выносливость. Понимание его функций и значимости может помочь спортсменам и тренерам оптимизировать тренировочный процесс и улучшить физическую подготовку.

Вопрос-ответ

Что за белок — миоглобин?

Миоглобин — это гемовый белок, присутствующий как в скелетных, так и в сердечной мышцах. Миоглобин обычно высвобождается в кровоток уже через 1 час после инфаркта миокарда, постепенно нарастает, достигая пика через 4–12 часов и возвращается к норме в течение 24–36 часов.

Почему повышен миоглобин?

Повышение уровня этого вещества указывает на повреждение мышечной ткани и может быть вызвано инфарктом миокарда, травмой, ранением, судорогами, хирургическими вмешательствами. Миоглобин повышается при рабдомиолизе, мышечных дистрофиях и миозитах (воспаление скелетных мышц).

Советы

СОВЕТ №1

Изучите роль миоглобина в организме. Он отвечает за транспортировку кислорода к мышечным клеткам, поэтому понимание его функции поможет вам лучше осознать, как поддерживать физическую активность и здоровье мышц.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на источники белка в вашем рационе. Для поддержания нормального уровня миоглобина важно получать достаточное количество белка из пищи, включая мясо, рыбу, яйца и растительные источники, такие как бобовые и орехи.

СОВЕТ №3

Следите за уровнем железа в организме. Миоглобин содержит железо, и его недостаток может привести к снижению уровня миоглобина. Включите в свой рацион продукты, богатые железом, такие как красное мясо, шпинат и чечевица.

СОВЕТ №4

Регулярно занимайтесь физической активностью. Упражнения способствуют улучшению кислородного обмена и могут повысить уровень миоглобина в мышцах, что в свою очередь улучшает выносливость и общую физическую форму.