Білки́ — великі біомолекули та макромолекули, які містять один або кілька довгих ланцюгів амінокислотних залишків, сполучених пептидними зв'язками. Білки виконують широкий спектр функцій всередині організмів, включаючи каталізацію метаболічних реакцій, реплікацію ДНК, реагування на подразники, створення структури клітин і організмів і транспортування молекул з одного місця в інше. Білки відрізняються один від одного насамперед своєю послідовністю амінокислот, яка диктується послідовністю нуклеотидів їхніх генів і яка зазвичай призводить до згортання білків в специфічну тривимірну структуру, яка визначає його активність. В однині (білок) термін найчастіше використовують для посилання на білок як речовину, коли неважливий її конкретний склад, та на окремі молекули або типи білків, у множині (білки) — для посилання на певну кількість білків, коли точний склад важливий.
Лінійний ланцюг із амінокислотних залишків називається поліпептидом. Білок містить принаймні один довгий поліпептид. Короткі поліпептиди, що містять менше 20-30 залишків, рідко вважаються білками і їх зазвичай називають пептидами, а іноді і олігопептидами. Окремі амінокислотні залишки з'єднані між собою пептидними зв'язками та сусідніми амінокислотними залишками. Послідовність амінокислотних залишків у білку визначається послідовністю гена, яка закодована в генетичному коді. Загалом, генетичний код визначає 20 стандартних амінокислот; але у деяких організмів генетичний код може включати селеноцистеїн і — у деяких архей — піролізин. Незабаром після або навіть під час синтезу залишки в білку часто хімічно модифікуються шляхом посттрансляційної модифікації, яка змінює фізичні та хімічні властивості, згортання, стабільність, активність і, зрештою, функцію білків. Деякі білки мають приєднані непептидні групи, які можна назвати простетичними групами або кофакторами. Білки також можуть працювати разом для досягнення певної функції, і часто з'єднуються, утворюючи стабільні білкові комплекси.
Після утворення білки існують лише протягом певного періоду, а потім розкладаються та переробляються механізмами клітини в процесі обміну білків. Тривалість життя білка вимірюється з точки зору його періоду напіврозпаду і охоплює широкий діапазон. Білки можуть існувати протягом хвилин або років із середньою тривалістю життя 1-2 дні в клітинах ссавців. Аномальні або неправильно згорнуті білки деградують швидше через те, що вони націлені на руйнування, або через їхню нестабільність.
Як і інші біологічні макромолекули, такі як полісахариди та нуклеїнові кислоти, білки є невід'ємними частинами організмів і беруть участь практично в кожному процесі всередині клітин. Багато білків є ферментами, які каталізують біохімічні реакції і є життєво важливими для метаболізму. Білки також мають структурні або механічні функції, такі як актин і міозин в м'язах і білки в цитоскелеті, які утворюють систему каркасів, що підтримує форму клітини. Інші білки мають важливе значення в передачі сигналів у клітинах, антитілах, адгезії клітин і клітинному циклі. У тварин білки необхідні в раціоні для забезпечення незамінних амінокислот, які не синтезуються. Травлення розщеплює білки для використання в обміні речовин.
Білки можуть бути очищені від інших клітинних компонентів за допомогою різноманітних методів, таких як ультрацентрифугування, преципітація, електрофорез та хроматографія; поява генної інженерії зробила можливим ряд методів для полегшення процесу очищення. Методи, які зазвичай використовуються для вивчення структури та функції білка, включають імуногістохімію, сайт-спрямований мутагенез, рентгенівську кристалографію, ядерний магнітний резонанс та мас-спектрометрію.
Загальний опис
Зазвичай білки є лінійними полімерами — поліпептидами, хоча інколи мають складнішу структуру. Невеликі білкові молекули, тобто олігомери поліпептидів, називаються пептидами. Послідовність амінокислот у конкретному білку визначається відповідним геном і зашифрована генетичним кодом. Хоча генетичний код більшості організмів визначає лише 20 «стандартних» амінокислот, їхнє комбінування уможливлює створення великого різноманіття білків із різними властивостями. Крім того, амінокислоти у складі білка часто зазнають посттрансляційних модифікацій, які можуть виникати і до того, як білок починає виконувати свою функцію, і під час його «роботи» в клітині. Для досягнення певної функції білки можуть діяти спільно, і часто зв'язуються, формуючи великі стабілізовані комплекси (наприклад, фотосинтетичний комплекс).
Функції білків в клітині різноманітніші, ніж функції інших біополімерів — полісахаридів і нуклеїнових кислот. Так, білки-ферменти каталізують протікання біохімічних реакцій і грають важливу роль в обміні речовин. Деякі білки виконують структурну або механічну функцію, утворюючи цитоскелет, що є важливим засобом підтримки форми клітин. Також білки грають важливу роль в сигнальних системах клітин, клітинній адгезії, імунній відповіді і клітинному циклі.
Білки — важлива частина харчування тварин і людини, оскільки ці організми не можуть синтезувати повний набір амінокислот і повинні отримувати частину з них із білковою їжею. У процесі травлення протеолітичні ферменти руйнують спожиті білки, розкладаючи їх до рівня амінокислот, які використовуються при біосинтезі білків організму або зазнають подальшому розпаду для отримання енергії.
Білки були вперше описані шведським хіміком Єнсом Якобом Берцеліусом в 1838 році, який і дав їм назву протеїни, від — «першорядної важливості». Проте їхня центральна роль в життєдіяльності всіх живих організмів була виявлена лише у 1926 році, коли Джеймс Самнер показав, що фермент уреаза також є білком . Секвенування першого білка — інсуліну, тобто визначення його амінокислотної послідовності, принесло Фредерику Сенгеру Нобелівську премію з хімії 1958 року. Перші тривимірні структури білків гемоглобіну і міоглобіну були отримані за допомогою рентгеноструктурного аналізу, за що автори методу, Макс Перуц і Джон Кендрю, отримали Нобелівську премію з хімії 1962 року.
Історія дослідження
Білки були виділені в окремий клас біологічних молекул у 18 столітті в результаті робіт французького хіміка Антуана де Фуркруа та інших учених, в яких було відмічено властивість білків коагулювати під час нагрівання або під дією кислот. У той час були досліджені такі білки, як альбумін з яєчних білків, фібрин з крові і глютен із зерна пшениці. Голландський хімік Герріт Мульдер провів аналіз складу білків і виявив, що практично всі білки мають однакову емпіричну формулу. Мульдер також визначив продукти руйнування білків — амінокислоти — і для однієї з них (лейцину) майже точно визначив молекулярну масу — 131 дальтон.
Мульдеру, зокрема, належить перша модель хімічної будови білків, запропонована ним у 1836 році. Виходячи з теорії радикалів, він сформулював поняття про мінімальну структурну одиницю у складі білків. Саме ця одиниця зі складом C16H24N4O5 отримала пізніше назву «протеїну» (Pr), а концепція — теорії протеїну. Сам термін «протеїн», що в сучасному розумінні означає білок більшістю європейських мов, був запропонований у 1838 році співробітником Мульдера Якобом Берцеліусом. Перевірка цієї моделі привернула увагу відомих хіміків свого часу, таких як Юстус Лібіх і Жан-Батист Дюма. Під впливом нових даних теорія протеїну декілька разів корегувалася, але все ж до кінця 1850-х років від неї довелося повністю відмовитися.
До кінця 19 століття вже було досліджено більшість амінокислот, що входять до складу білків. У 1894 році німецький фізіолог Альбрехт Коссель висунув теорію, що амінокислоти є головними структурними елементами білків. На початку 20-го століття німецький хімік Еміль Фішер експериментально довів, що білки збудовані з залишків амінокислот, сполучених пептидними зв'язками. Також він здійснив перші аналізи амінокислотного складу білків та дав пояснення протеолізу. Після 1926 року також стала зрозумілою центральна роль білків в організмах, коли американський хімік Джеймс Самнер (згодом — лауреат Нобелівської премії) показав, що фермент уреаза також є білком.
Вивченню білків перешкоджала складність їхнього виділення. Тому перші дослідження білків проводилися з використанням тих поліпептидів, які могли бути очищені у великій кількості, тобто білків крові, курячих яєць, різних токсинів і травних/метаболічних ферментів, які можна було виділити в місцях забою худоби. Наприкінці 1950-х років компанія Armour Hot Dog Co. змогла очистити кілограм бичачої панкреатичної рибонуклеази А, яка стала експериментальним об'єктом для багатьох учених.
Ідея про те, що вторинна структура білків утворюється в результаті формування водневих зв'язків між амінокислотами, була висловлена Вільямом Астбері в 1933 році, але Лайнус Полінг вважається першим ученим, який зміг успішно передбачити вторинну структуру білків. Пізніше Волтер Каузман, спираючись на роботи Кая Ліндерстрем-Ланга, зробив вагомий внесок до розуміння законів утворення третинної структури білків і ролі в цьому процесі гідрофобних взаємодій. У 1949 році Фред Сенгер визначив амінокислотну послідовність інсуліну, продемонструвавши таким способом, що білки — це лінійні полімери амінокислот, а не розгалужені (як у деяких цукрів) ланцюжки, колоїди або циклоли.
Перші структури білків, що ґрунтуються на методах рентгеноструктурного аналізу на рівні окремих атомів, були отримані в 1960-х роках, а за допомогою ЯМР-спектроскопії — в 1980-х роках. У 2006 році Банк даних білків (Protein Data Bank) містив приблизно 40 000 структур білків. У наш час кріоелектронна мікроскопія великих білкових комплексів за роздільною здатністю наближається до атомного рівня.
Особливістю досліджень білків початку 21-го століття є одночасне отримання даних про білковий склад цілих клітин, тканин або організмів — протеоміка. У результаті необхідності аналізу цих даних та росту можливостей обчислювальних технологій активно розвиваються методи біоінформатики аналізу та порівняння білкових структур та обчислювальні методи передбачення структури білків, наприклад, методи молекулярної динаміки, призначені замінити в майбутньому експериментальне визначення білкових структур.
Будова білка
Склад
Молекули білків є лінійними полімерами, що складаються з α-L-амінокислот (які є мономерами цих полімерів) і, в деяких випадках, з модифікованих основних амінокислот (щоправда, модифікації відбуваються вже після синтезу білка на рибосомі). Для позначення амінокислот в науковій літературі використовуються одно- або трибуквені скорочення. Хоча на перший погляд може здатися, що використання «всього» 20 основних типів амінокислот обмежує різноманітність білкових структур, насправді кількість варіантів важко переоцінити: для ланцюжка всього з 5 амінокислот воно становить вже більше 3 мільйонів, а ланцюжок з 100 амінокислот (невеликий білок) може бути представлений більш ніж у 10130 варіантах (для порівняння — кількість атомів у Всесвіті оцінюється приблизно у 1080). Поліпептидні ланцюжки завдовжки від двох до кількох десятків амінокислотних залишків зазвичай називають пептидами, а довші — власне білками або протеїнами, хоча цей поділ вельми умовний.
При утворенні білка в результаті взаємодії α-аміногрупи (-NH2) однієї амінокислоти з α-карбоксильною групою (-СООН) іншої амінокислоти утворюються пептидні зв'язки. Кінці білка називають С- і N- кінцями (залежно від того, яка з груп кінцевої амінокислоти вільна: -COOH чи -NH2, відповідно). При природному синтезі білка на рибосомі нові амінокислоти приєднуються до C-кінця, тому назва пептиду або білка дається шляхом перерахування амінокислотних залишків починаючи з N-кінця.