Надо Знать

добавить знаний



Белки



План:


Введение

Ленточная молекулярная модель белка - ядерного антигена пролиферирующих клеток (PCNA) человека.

Белки - сложные высокомолекулярные природные органические вещества, состоящие из аминокислот, соединенных пептидными связями. В числе (белок) термин чаще используется для ссылки на белок, как вещество, если не важен ее конкретный состав, и на отдельные молекулы или типы белков, во множественном числе (белки) - для ссылки на некоторое количество белков, когда точный состав важен.

Обычно белки являются линейными полимерами - полипептидами, хотя иногда имеют сложную структуру. Небольшие белковые молекулы, т.е. олигомеры полипептидов, называются пептидами. Последовательность аминокислот в конкретном белке определяется соответствующим геном и зашифрованная генетическим кодом. Хотя генетический код большинства организмов определяет лишь 20 "стандартных" аминокислот, их комбинирование позволяет создание большого разнообразия белков с различными свойствами. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционной модификации, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его "работы" в клетке. Для достижения определенной функции белки могут действовать совместно, и часто связываются, формируя большие стабилизированные комплексы (например, фотосинтетический комплекс).

Функции белков в клетке разнообразны, чем функции других биополимеров - полисахаридов и нуклеиновых кислот. Так, белки- ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, что является важным средством поддержания формы клеток. Также белки играют важную роль в сигнальных системах клеток, клеточной адгезии, иммунном ответе и клеточном цикле.

Белки - важная часть питания животных и человека, поскольку эти организмы не могут синтезировать полный набор аминокислот и должны получать часть из них с белковой пищей. В процессе пищеварения протелитични ферменты разрушают потребленные белки, раскладывая их до уровня аминокислот, которые используются при биосинтезе белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.

Белки были впервые описаны шведским химиком Енсом Якобом Берцелиусом в 1838 году, и дал им название протеины, от греч. πρώτα - "Первостепенной важности". Однако, их центральная роль в жизнедеятельности всех живых организмов была обнаружена только в 1926 году, когда Джеймс Самнер показал, что фермент уреаза также белком [1]. Секвенирование первого белка - инсулина, т.е. определение его аминокислотной последовательности, принесло Фредерику Сенгеру Нобелевскую премию по химии 1958 года. Первые трехмерные структуры белков гемоглобина и миоглобина были получены с помощью рентгеноструктурного анализа, за что авторы метода, Макс Перуц и Джон Кендрю, получили Нобелевскую премию по химии 1962 [2] [3].


1. История исследования

Антуан Франсуа Фуркруа, основоположник исследования белков

Белки были выделены в отдельный класс биологических молекул в 18 веке в результате работ французского химика Антуана де Фуркруа и других ученых, в которых было отмечено свойство белков коагулировать при нагревании или под действием кислот. В то время были исследованы такие белки, как альбумин с яичных белков, фибрин с крови и глютен из зерна пшеницы. Голландский химик Геррит Мульдер провел анализ состава белков и обнаружил, что практически все белки имеют одинаковую эмпирическую формулу. Мульдер также определил продукты разрушения белков - аминокислоты - и для одной из них ( лейцина) почти точно определил молекулярную массу - 131 дальтон.

Мульдеру также принадлежит первая модель химического строения белков, предложенная им в 1836 году. Исходя из теории радикалов, он сформулировал понятие о минимальной структурной единицы в составе белков. Именно эта единица с составом C 16 H 24 N 4 0 5 получила позднее название "протеина" (Pr), а концепция - теории протеина [4]. Сам термин "протеин", что в современном понимании означает белок большинством европейских языков, был предложен в 1838 году сотрудником Мульдер Якобом Берцелиусом [5]. Проверка этой модели привлекла внимание известных химиков своего времени, таких как Юстус Либих и Жан-Батист Дюма. Под влиянием новых данных теория протеина несколько раз корегувалася, но все же до конца 1850-х годов от нее пришлось полностью отказаться.

К концу 19-го века уже было исследовано большинство аминокислот, входящих в состав белков. В 1894 году немецкий физиолог Альбрехт Коссель выдвинул теорию, что аминокислоты являются основными структурными элементами белков [6]. В начале 20-го века немецкий химик Эмиль Фишер экспериментально доказал, что белки построены из остатков аминокислот, соединенных пептидными связями. Также он выполнил первые анализы аминокислотного состава белков и дал объяснение протеолиза. После 1926 года также стала понятна центральная роль белков в организмах, когда американский химик Джеймс Самнер (впоследствии - лауреат Нобелевский премии) показал, что фермент уреаза также белком [7].

Изучению белков препятствовала сложность их выделения. Поэтому первые исследования белков проводились с использованием тех полипептидов, которые могли быть очищены в большом количестве, то есть белков крови, куриных яиц, различных токсинов и пищеварительных / метаболических ферментов, которые можно было выделить в местах забоя скота. В конце 1950-х годов компания Armour Hot Dog Co. смогла очистить килограмм бычьей панкреатической рибонуклеазы А, которая стала экспериментальным объектом для многих ученых.

Идея о том, что вторичная структура белков образуется в результате формирования водородных связей между аминокислотами, была высказана Уильямом Астбери в 1933 году, но Лайнус Полинг считается первым ученым, который смог успешно предсказать вторичную структуру белков. Позже Уолтер Каузман, опираясь на работы Кая Линдерстрем-Ланга, внес весомый вклад в понимание законов образования третичной структуры белков и роли в этом процессе гидрофобных взаимодействий. В 1949 году Фред Сэнгер определил аминокислотную последовательность инсулина, продемонстрировав таким образом, что белки - это линейные полимеры аминокислот, а не разветвленные (как в некоторых сахаров) цепочки, коллоиды или циклолы.

Первые структуры белков, основанные на методах рентгеноструктурного анализа на уровне отдельных атомов, были получены в 1960-х годах, а с помощью ЯМР-спектроскопии - в 1980-х годах. В 2006 году Банк данных белков (Protein Data Bank) содержал около 40 000 структур белков. В настоящее время [ Когда? ] криоелектрона микроскопия больших белковых комплексов с разрешением приближается к атомному уровню.

Особенностью исследований белков начале 21-го века является одновременное получение данных о белковый состав целых клеток, тканей или организмов - протеомика. В результате необходимости анализа этих данных и роста возможностей вычислительных технологий активно развиваются методы биоинформатики анализа и сравнения белковых структур и вычислительные методы предсказания структуры белков, например, методы молекулярной динамики, предназначенные заменить в будущем экспериментальное определение белковых структур.


2. Строение

2.1. Состав

Схематическое изображение образования пептидной связи. Подобная реакция происходит на рибосоме - молекулярной машине для сборки белков.

Молекулы белков являются линейными полимерами, состоящие из α-L-аминокислот (которые являются мономерами этих полимеров) и, в некоторых случаях, модифицированных основных аминокислот (правда модификации происходят уже после синтеза белка на рибосоме). Для обозначения аминокислот в научной литературе используются одно-или трехбуквенные сокращения. Хотя на первый взгляд может показаться, что использование "всего" 20 основных типов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур, в действительности количество вариантов трудно переоценить: для цепочки всего из 5 аминокислот оно составляет уже более 3 миллионов, а цепочка из 100 аминокислот (небольшой белок) может быть представлен более чем в 10 130 вариантах (для сравнения - число атомов во Вселенной оценивается примерно в 10 80). Полипептидные ланжюжкы длиной от двух до нескольких десятков аминокислотных остатков обычно называют пептидами, при большей степени полимеризации - собственно белками или протеинами, хотя это деление весьма условно.

При образовании белка в результате взаимодействия α-аминогруппы (-NH 2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (-СООН) другой аминокислоты образуются пептидные связи. Концы белка называют С-и N-концами (в зависимости от того, какая из групп конечной аминокислоты свободна:-COOH или-NH 2, соответственно). При естественном синтезе белка на рибосоме, новые аминокислоты присоединяются к C-концу, поэтому название пептида или белка дается путем перечисления аминокислотных остатков начиная с N-конца.

Последовательность аминокислот в белке соответствует информации, содержащейся в гене данного белка. Эта информация представлена ​​в виде нуклеотидной последовательности, причем одной аминокислоте соответствует одна или несколько последовательностей из трех нуклеотидов - так называемых кодонов. То, какая аминокислота соответствует данному кодона в ДНК и мРНК (промежуточном звене биосинтеза белков), определяется генетическим кодом, который может отличаться у разных организмов.

Гомологичные белки (выполняющие одну функцию и имеют общее эволюционное происхождение, например, гемоглобины) разных организмов имеют во многих местах цепочки разные аминокислотные остатки, которые называют вариабельными, в противовес консервативным, общим остаткам. По степени гомологии можно оценить эволюционную расстояние между таксонами, к которым относятся все организмы


2.2. Уровни структуры белков

Основные уровни структурной организации белков

Кроме последовательности аминокислот полипептида (первичной структуры), для функционирования белков крайне важна трехмерная структура, которая формируется в процессе сворачивания белков (или фолдинга, от англ. folding ). Эта структура удерживается в результате взаимодействия структур низших уровней. Трехмерная структура белков в нормальных естественных условиях называется нативным состоянию белка. Хотя многие белков способны сворачиваться и принимать нативный состояние самостоятельно, благодаря свойствам своего полипептидной цепочки, другие требуют помощи других белков, молекулярных шапероны. Выделяют четыре уровня структуры белков [8] :

  • Вторичная структура - локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепочки, стабилизированное водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Самые распространенные типы вторичной структуры белков включают [9] : α-спирали (спираль имеет 4 остатки на виток, стабилизирована водородными связями между пептидными группами с шагом в 4 звена) и β-листы (несколько зигзагообразных полипептидных низок, в которых водородные связи образуются между относительно удаленными участками цепочки или между разными цепочками, а не между близко расположенными пептидными группами, как это имеет место для α-спирали). Другие элементы вторичной структуры включают π-спирали (спирали с шагом водородных связей в 3 звена), 3_ {10} -Спирали (спирали с шагом водородных связей в 5 звеньев), повороты, неупорядоченные фрагменты и другие. Самая распространенная единая классификация таких структур - номенклатура DSSP.
Примеры изображения трехмерной структуры белков или их фрагментов. Показан белок - триозофосфатизомераза - состоит из восьми α-спиралей, расположенных на внешней поверхности и восьми параллельных β-листов внутри (так называемая структура αβ-барреля, от англ. barrel - "Бочка"). Слева - "палочковой" модель, с изображением всех атомов и связей между ними. Цветами обозначены разные атомы. В середине - изображение элементов вторичной структуры - α-спиралей и β-листов. Цветами обозначены типы элементов. Справа - контактная поверхность белка, на основании ван дер ваальсовых радиусов атомов. Цветами обозначены электростатические свойства поверхности.
К третичной структуры обычно относят и промежуточные уровни между основными элементами вторичной структуры и полной структурой белка - "надвторинну" структуру, состоящую из структурных мотивов и доменов. Структурные мотивы - небольшие устойчивые сочетания нескольких элементов вторичной структуры, имеют схожую структуру, важную для выполнения белком определенных функций. Похожие структурные мотивы обычно выполняют похожие функции, благодаря чему за ними можно предусмотреть функцию неизвестного белка. Хотя структурные мотивы могут быть аналогичными, чаще всего они сохраняются в процессе эволюции видов. Домены - несколько более крупные элементы структуры белка, характеризуются стабилизацией независимой от остальных полипептидной цепочки, и часто выполняют отдельную функцию. В процессе эволюции элементы надвториннои структуры могут передаваться между генами, предоставляя им новые функции, таким образом существует гораздо меньше разновидностей этих элементов, чем различных белков. Процесс передачи домена можно осуществить и искусственными методами генной инженерии, создавая причудливые белки.
  • Четвертичная структура - структура, возникающая в результате взаимодействия нескольких белковых молекул, которые в данном контексте называют субъединицами. Полная структура нескольких соединенных субъединиц, вместе выполняют общую функцию, называется белковым комплексом.

2.3. Размеры

Сравнительные размеры белков и пептидов. Слева направо: Антитело (IGG), гемоглобин, инсулин ( гормон), аденилаткиназа ( фермент) и глютаминсинтетаза ( фермент).

Размер белка может измеряться по числу аминокислот или в единицах молекулярной массы - Дальтона - Да (чаще, из-за больших размеров молекулы, в производных единицах - килодальтон - кДа). Самым известным единичным белком является титин (компонент саркомер мышц), содержащий более 29 тыс. аминокислот и имеет молекулярную массу 3 Мда [10], а самый внутриклеточный белковый комплекс - комплекс ядерной поры позвоночных животных - имеет массу около 125 Мда [11]. Однако, в целом трудно говорить о наибольший размер белкового комплекса, потому что часто комплексы имеют очень ограниченный время жизни, кроме того, весь цитоскелет клетки, или внеклеточная матрица целого организма может считаться единым комплексом. Самый белок также трудно определить, много белков. имеющих энзиматическую активность, не превышающие по размеру несколько десятков аминокослот, многие пептидных гормонов имеют еще минши размеры. Иногда маленьким белком вважать единую небольшую аминокислоту пролин, имеющий самостоятельную каталитическую активность [12].


2.4. Химические свойства

Белки также характеризуются изоэлектрической точкой (pI) - кислотностью среды pH, при котором молекула данного белка не несет электрического заряда. Чем больше в данном белке гидроксильных групп (основных остатков), тем выше его pI. Белки с pI меньше за 7 называются кислотными, а белки с pI больше 7 - основными. В целом, pI белка зависит от функции, которую он выполняет, так белки, которые связываются с нуклеиновыми кислотами часто относятся к основным белков. Примером таких белков служат гистоны.

По степени растворимости в воде белки бывают растворимыми (гидрофильными) и нерастворимыми (гидрофобными). К последним относятся большинство белков, входящих в состав биологических мембран, т.е. интегральных мембранных белков, которые взаимодействуют с гидрофобными липидами мембраны [13].


2.5. Простые и сложные белки

По составу выделяют простые и сложные белки. Простые белки содержат только аминокислоты, связанные в цепочки. В отличие от них сложные белки имеют также неаминокислотни группы. Эти дополнительные группы в составе сложных белков называются простетическими группами. Некоторые простетические группы служат кофакторами, необходимыми для работы ферментов. Другие, такие как полисахаридные цепочки, помогают белка принимать нужную конформацию и придают дополнительную стабильность. Примерами органических простетических групп в составе белков служат гем (в составе гемоглобина), тиамин, биотин и другие. Неорганические простетические группы чаще всего состоят из ионов металлов, наиболее распространенными из которых являются цинк, магний и молибден [14]. По типу простетической группы сложные белки делят на гликопротеины, липопротеины, хромопротеины, нуклеопротеиды, фосфопротеины, металлопротеины и некоторые другие.


2.6. Денатурация белков

Необроротна денатурация белка куриного яйца под воздействием высокой температуры.

Как правило, белки течение достаточно долгого времени сохраняют структуру и, следовательно, физико-химические свойства, например, растворимость, в условиях (таких как pH, температура), к которым приспособлен данный организм или поддерживаемых в его рамках в результате сохранения гомеостаза [7]. Резкое изменение этих условий, например, вследствие нагрева или обработки белка кислотой или щелочью, приводит к потере четвертичной, третичной и вторичной структур белка, этот процесс называется денатурацией. Известен случай денатурации белка в быту - приготовление куриного яйца, когда под воздействием высокой температуры растворимый в воде прозрачный белок овальбумин становится плотным, нерастворимым и непрозрачным.

Белки, которые используются в технологических методах и требуют нетипичных условиях, часто подбираются с экстремофилов - организмов, способных жить в экстремальных условиях. Так, например, ДНК-полимераза Taq, который используется в полимеразной цепной реакции (ПЦР), может выдерживать без денатурации многократное нагревание до 95 C. Она была изначально выделена из бактерии Thermus aquaticus. Денатурация в некоторых случаях обратима, как, например, при преципитации водорастворимых белков с помощью солей аммония, и используется как способ их очистки [15].


3. Биосинтез и жизненный цикл белков

3.1. Рибосомных синтез

Белки синтезируются живыми организмами из аминокислот на основе информации, закодированной в генах. Каждый белок состоит из уникальной последовательности аминокислот, которая определяется нуклеотидной последовательностью гена, кодирующего данный белок. Генетический код состоит из трехбуквенных слов, которые называются кодонами. Каждый кодон отвечает за присоединение к белку одной аминокислоты: например, сочетание AUG (АУГ) соответствует метионина. Поскольку ДНК состоит из четырех типов нуклеотидов, то общее число возможных кодонов равняется 64, а поскольку в белках используется 20 аминокислот, то много аминокислот определяются более чем одним кодоном. Гены, кодирующие белки, сначала транскрибуются в последовательность нуклеотидов матричной РНК (мРНК) белками РНК-полимераза.

В прокариот мРНК может считываться рибосомами в аминокислотную последовательность белков сразу после транскрипции, однако в большинстве случаев в эукариот и иногда в бактерий она обрабатывается в процессе сплайсинга. После этого эукариоты должны также транспортировать зрелую мРНК с ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы.

Скорость синтеза белков выше у прокариот и может достигать 20 аминокислот в секунду [16].

Процесс синтеза белка с мРНК называется трансляцией. Во время начальной стадии трансляции - инициации, кодон метионина распознается малой субъединицей рибосомы, в которой с помощью белковых факторов инициации присоединена метионинова транспортная РНК (тРНК). После распознавания стартового кодона к малой субъединицы присоединяется большое субъединица рибосомы, и начинается вторая стадия трансляции - элонгация. На каждом шагу рибосомы от 5 'к 3' концу мРНК прочитывается одного кодона путем образования водородных связей между тремя нуклеотидами (кодоном) мрРНК и комплементарным ему антикодоном транспортной РНК, к которой присоединена соответствующая аминокислота. Синтез пептидной связи катализирует рибосомных РНК (рРНК), образующей пептидилтрансферазний центр рибосомы. Рибосомные РНК катализирует образование пептидной связи между последней аминокислотой пептида, и аминокислотой, присоединенной к тРНК, позиционируя атомы азота и углерода в положении, благоприятном для прохождения реакции. Фермент аминоацил-тРНК-синтетаза присоединяет аминокислоты в их тРНК. Третья, и последняя стадия трансляции, терминации, происходит при достижении рибосомой стоп-кодона, который не кодирует аминокислот, после чего белковые факторы терминации гидролизуют последнюю тРНК от белка, прекращая синтез. В рибосомах белки всегда синтезируются от N-к C-концу.


3.2. Нерибосомний синтез

В некоторых грибов и некоторых бактерий существует менее распространенный способ биосинтеза белков, который не требует участия рибосом. Синтез пептидов, обычно вторичных метаболитов (так называемых нерибосомних пептидов), проводится высокомолекулярным белковым комплексом, NRP-синтетазой (от англ. n on r ibosomal p eptide synthetase - "Нерибосомна синтетаза пептидов"). NRP-синтетаза обычно состоит из нескольких доменов или отдельных белков, осуществляющих подбор аминокислот, образования петидного связи, высвобождение синтезированного пептида и, иногда, домен, способный изомеризуваты L-аминокислоты (нормальная форма) в D-форму [17] [18 ].


3.3. Посттрансляционные модификации белков

После завершения трансляции и высвобождения белка из рибосомы аминокислоты в составе полипептидной цепочки подвергаются разнообразным химическим модификациям. Эти модификации способны значительно расширить разнообразие возможных белков, придавая им новые свойства. Примерами посттрансляционным модификаций служат:

При этом тип модификации может быть как универсальным - добавление строк, состоящих из мономеров убиквитина, служит сигналом для деградации этого белка протеасомы - так и специфическим для данного белка [19]. Вместе с тем один и тот же белок может подвергаться многочисленным модификациям. Так, гистоны, белки, входящие в состав хроматина эукариот и архей, при различных условиях могут зазнававты до 150 типов различных модификаций [20].


3.4. Сортировка белков

Многие белки, которые синтезирует клетка, предназначенные для использования в соответствующих органеллах, на мембранах клетки или в межклеточном пространстве, которого белки достигают путем секреции. Правильное сортировки критическое для клетки, ошибки в этом процессе часто приводят к болезням. Процесс сортировки и транслокации белков осуществляется, исходя из информации, содержащейся непосредственно в самом белке. Эта информация, так называемые сигналы сортировки, может содержаться как в пептидных последовательности белка, так и в пространственной структуре свернувшегося белка.

Наиболее распространенным механизмом сортировки является распознавание N-терминальной сигнальной последовательности белка во время синтеза. В этом случае комплекс рибосомы с белком перемещается к поверхности шероховатого эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Там полипептид, синтезируемый, распознается транслокационный комплексом и проходит через мембрану ЭПР. В случае белков, предназначенных для секреции, сигнальная последовательность во время синтеза отщепляется от полипепдиду сигнальной пептидаз. Для некоторых трансмембранных белков эта обработка несколько отличается.

Некоторые белки транслируются целиком в цитозоле, после чего направляются к месту назначения. Это происходит для белков, предназначенных для митохондрий, хлоропластов или пероксисом (в последнем случае белки обычно сигнальную последовательность на C-конце). Также посттрансляционной перемещаются белки, предназначенные для ядра клетки, они пересекают ядерную оболочку через ядерные поры.

У бактерий основной механизм сортировки белков цитоплазматической мембраны подобный эукариотического, однако для других отделов клетки бактерии содержат системы секреции I типа, II типа, III типа и т.д..


3.5. Сворачивание белков и поддержание их структуры

Изображение модели комплекса бактериальных шаперонов GroES и GroEL. Агрегированный белок поступает в центральную полость комплекса, где в результате гидролиза АТФ происходит изменение его структуры.

Способность белков восстанавливать правильную трехмерную структуру после денатурации позволила выдвинуть гипотезу о том, что вся информация о конечную структуру белка содержится в его аминокислотной последовательности. В настоящее время [ Когда? ] общепризнанная теория о том, что стабильная форма белка имеет минимальную свободную энергию по сравнению с другими возможными формами этого полипептида [21].

Однако, конечная структура бывает сложной, а процесс ее принятия новосинтезированные полипептидных цепочек требует некоторого времени. Процесс принятия белком этой структуры называется свертыванием или фолдинга (от англ. folding ). Небольшие однодоменни белки размером до 100 аминокислот обычно сворачиваются в один шаг, такое свертывание занимает несколько миллисекунд и обычно происходит одновременно с трансляцией [22] [23]. С другой стороны, большие сложные белки требуют несколько минут или часов для фолдинга, прежде всего из-за Изомеризацию пролина и формирования ложных дисульфидных мостиков. Такие белки должны пройти через ряд промежуточных шагов для завершения процесса [24].

Многие белки не способны завершить свертывания самостоятельно и достичь нативного состояния, часто через взаимодействие с другими белками клетки. Такие белки требуют внешней помощи от белков специального класса - молекулярных шапероны. Часто шапероны необходимы лишь при определенных условиях, например в условиях теплового шока, когда высокая температура приводит к увеличению числа ошибок свертывания [25].

Важность нормальной работы шапероны для функционирования организма может быть проиллюстрирована на примере шапероны α- Кристалина, входящий в состав хрусталика глаза человека. Мутации в этом белке приводят к помутнению хрусталика через агрегирования белков и, как следствие, к потере хрусталиком глаза прозрачности и в катаракты [26].


4. Функции белков в организме

Классификация белков по функциям может быть как биохимической, т.е. по типу непосредственной биохимической функции, которую белок выполняет в оргинизми, так и основанной на главных клеточных процессах, один из шагов которых выполняет данный белок. В последней случае классификация включает следующие категории [27] :

В каждом организме есть небольшое количество белков, которые выполняют две или более операций. Зачастую эти операции относятся к одному функциональному блоку. Например, лизил-тРНК-синтетаза млекопитающих является информационным белком, присоединяет лизин в тРНК и также регулирует репликацию ДНК и транскрипцию нескольких генов [28]. Белок CtrA бактерии Caulobacter crescentus контролирует клеточный цикл через регуляцию репликации и транскрипции [29]. Анализ геномов показал, что у разных организмов существует большая разница в количестве белков, выполняющих ту или иную функцию. Особенно это касается операционных белков от которых зависит адаптация организма к его экологической ниши. Интересно, что у человека и других организмов часть белков не полностью закодирована в унаслидованому геноме. Так, большое разнообразие имуноглобулинив достигается за счет рекомбинации и мутаций соответствующих генов, который длится на протяжении всей жизни в клетках имунной системы. Также не надо забывать, что выявление функций белков еще не закончилось: в любом организме 20% или больше белков выполняют функции, о которых еще ничего не известно.


4.1. Особенности белков по сравнению с другими биомолекул

Фермент гексокиназа показан с помощью простой шарико-палочковой модели. В правом верхнем углу субстраты белка, АТФ и глюкоза.

Белки - главные игроки в процессах в пределах клетки. Они выполняют специфические задачи в зависимости от информации, закодированной в соответствующих генах [30]. За исключением определенных типов РНК большинство биомолекул часто рассматриваются как инертные субстраты, на которые действуют белки. Белки составляют половину сухого веса клеток Escherichia coli, тогда как молекулы как ДНК и РНК - только 3% и 20% соответственно [31]. Полный набор белков специфической клетки или типа клеток называется протеома.

Главная характеристика белков, что позволяет им выполнять широкий набор функций - способность специфически и плотно связываться с другими молекулами. Участки белков, отвечающих за такое связывание, называются участками связывания. Они часто имеют вид изгиба или "кармана" на поверхности молекулы. Эта способность к связыванию опосредованное третичной структурой белка, которая определяет расположение карманов связки, и химическими свойствами аминокислот окружающих боковых цепей. Связывание белков может быть чрезвычайно плотным и специфическим, например, белок- ингибитор рибонуклеазы связывается с человеческим ангиогенином с менее чем фемтомолярною константой диссоциации (<10 -15 м), но вообще не связывается с его гомологом, онконазою, полученной из клеток лягушек (> 1 м). Очень незначительной химического изменения, такой как добавление к партнеру связывания единой метильной группы, иногда может быть достаточно для того, чтобы почти исключить связывания; например, аминоацил-тРНК-синтетаза специфичная к аминокислоты валина четко отличает его от слишком подобного боковой цепи изолейцина.

Белки могут связываться с другими белками, другими биомолекул и небольшими субстратами. Когда белки связываются с другими копиями той же молекулы, они образуют олигомеры, которые в некоторых случаях формируют фибриллы; этот процесс часто происходит в структурных белках, которые состоят из шарообразных мономеров, которые являются партнерами во взаимном связке. Он позволяет формировать прочные волокна. Белок-белковое взаимодействие также регулирует ферментативную деятельность, управляя течением клеточного цикла, и придает клетке возможность образовывать крупные белковые комплексы, которые совершают много сложных реакций, важных для выполнения основных биологических функций. Кроме того, партнеры связывания часто способны индуцировать конформационные изменения в белках, что позволяет образования сложнейших сигнальных сетей.


4.2. Каталитическая функция

Ленточная молекулярная модель фермента уреазы бактерии H.pylori.

Лучше известна роль белков в организме - катализ различных химических реакций. Ферменты - тип белков, характеризуется специфическими каталитическими свойствами, т.е. каждый фермент катализирует одну или несколько реакций. Ферменты катализируют реакции расщепления ( катаболизм) и синтеза ( анаболизм) сложных молекул, в частности, синтез и деградацию ДНК, РНК, белков, липидов и сахаров. Кроме того, они катализируют синтез и деградацию малых молекул, химические модификации и ряд других реакций, необходимых для жизнедеятельности. Известно около 4 тыс. реакций, катализируемых ферментами, многие из них протекают вне клеток [32], например фермент пепсин расщепляет белки в процессе пищеварения. Ускорение реакции в результате ферментативного катализа часто огромно: например, реакция, катализируемой ферментом оротат-карбоксилазы протекает в 10 17 раз быстрее [33], чем без катализатора (реакция происходила бы раз в 78 миллионов лет без фермента, и происходит раз в 18 миллисекунд при участии фермента). Молекулы, которые изменяются в результате реакции при посредничестве ферментов, называемых субстратами.

Хотя ферменты обычно состоят из сотен аминокислот, только небольшая часть из них взаимодействует с субстратом, и еще меньше - в среднем 3-4 аминокислоты в одной молекуле белка, часто расположены далеко друг от друга в первичной аминокислотной последовательности, - непосредственно участвуют в катализе [34]. Часть фермента, которая соединяется с субстратом и содержит каталитические аминокислоты, называется активным центром фермента.


4.3. Структурная функция

Структурные белки часто играют роль арматуры, что придает форму и жесткость клеткам и тканям. Обычно эти белки способны формировать длинные филаменты или связывать филаменты, сформированные другими белками - часть структурных белков является фибриллярных, другие формируют филаменты с помощью полимеризации глобул белка при определенных условиях [35]. Структурная роль внутри клетки играют компоненты цитоскелета : например глобулярные актин и тубулин в эукариотов и их бактериальные гомологи FtsZ и MreB. Эти белки очень динамичны, т.е. могут полимеризоваться при необходимости. Они играют роль не только в обеспечении структуры, но и в локомоции клеток и клеточном делении. Другие компоненты цитоскелета - промежуточные филаменты эукариот и бактериальный кресцентин - фибриллярные и должны прежде всего структурную функцию. Важна также структурная роль компонентов межклеточной матрицы. Некоторые из них собираются в больших количествах и играют роль в обеспечении структуры отдельных органов, например, межклеточное кератин важен для поддержания структуры волосы, ногтей и перья птиц. Коллаген, ламинин и эластин важны для поддержания эпителия стенок полостей организма - легких, желудка и т.д.. Кроме того, коллаген и эластин - основные компоненты соединительной ткани (например, хряща). Структурные белки также составляют клеточную стенку многих архей и играют роль в удержании вместе полисахаридных компонентов клеточных стенок растений и бактерий.


4.4. Защитная функция

Мишин антитело против холеры, приспособленное к углеводородного антигена (сверху).

Многие белки, входящие в состав крови, участвующих в защитной ответа организма как на повреждения, так и на атаку патогенов. Примерами первой группы белков служат фибриногена и тромбина [36], участвующих в свертываемости крови, а антитела (иммуноглобулины), нейтрализуют бактерии, вирусы или чужеродные белки. Антитела, входящие в состав адаптативнои иммунной системы, присоединяются к чужеродным для данного организма веществ, антигенов, и таким образом нейтрализуют их, направляя к местам уничтожения. Антитела могут секретироваться в межклеточное пространство или закрепляться в мембранах специализированных В-лимфоцитов, которые называются плазмоцитами [37].

Принципиально иным классом защитных белков (обычно пептидов) является токсины, которые используются многими организмами для уничтожения хищников и паразитов, тогда как собственные клетки защищены от токсинов физическим барьером, содержащие антидот (противоядие), локально нейтрализует токсин, или нечувствительны к нему через другое строение, чем клетки жертвы токсинов.

Защита клеток от токсинов, вредных химических веществ из окружающей среды и продуктов собственного метаболизма, а также многих фармацевтических препаратов может осуществляться мембранными белками-насосами. Разнообразие, специфичность и принцип действия таких белков-насосов, видкачуваючих вредные вещества из клеток, сильно варьирует от организма к организму.

Широко распространенным способом защиты бактерий от бактериофагов является система рестрикции-модификации. Один белок этой системы метилюе определенные сайты вновь синтезированной геномной ДНК бактерий. Другой белок - рестриктазы расщепляет незащищенную ДНК бактериофагов. Существует много других способов и соответствующих им белков для защиты бактерий от фагов и эукариотичних клеток от ДНКових и РНКових вирусов и бактерий. В целом, за четыре миллиарда лет эволюционной борьбы между организмами была создана большое разнообразие белков для атаки и защиты клеток, бильшисть из которых еще не изучена.


4.5. Сигнальная и регуляторная функция

Многие белки участвуют в процессах передачи сигналов на межклеточном и внутриклеточном уровнях. Некоторые белки, гормоны, нейротрансмиттеры, факторы роста и цитокины пептидной природы, - внеклеточные сигнальные молекулы, передающие сигнал от клетки, где они были синтезированы, к другим клеткам, как рядом с клеткой (нейротрансмиттеры, факторы роста), так и в удаленных тканях (гормоны). К примерам таких белков принадлежит гормон инсулин, который регулирует концентрацию глюкозы в крови и фактор некроза опухолей, передает сигналы о воспалении между клетками организма [38].

Другие молекулы, вовлеченные в сигнальной системы, - рецепторы, которые могут быть как мембранными, так и цитоплазматическими или периплазматическом белками. Одна часть молекулы рецептора воспринимает сигнал, который с помощью конформационных изменений передается на другую часть молекулы активирует передачу сигнала на другие клеточные компоненты. В мембранных рецепторов часть молекулы, которая связывается с сигнальной молекулой, находится на поверхности клетки, а домен, который передает сигнал, внутри [39]. Часто рецепторы являются одновременно и мембранными каналами, ответ которых на внешний сигнал заключается в изменении концентрации определенного иона в клетке.

Многие внутриклеточных сигнальных белков организованы сигнальные каскады, звенья которых модифицируют следующий белок с помощью ковалентных модификаций (например, фосфорилирования с помощью белковых киназ) или связки. Эти каскады передают сигнал об изменении условий окружающей среды или внутриклеточные процессы на регуляторные белки, которые в свою очередь регулируют клеточный ответ.

На внутриклеточном уровне экспрессия генов регулируется присоединением белков - факторов транскрипции в зависимости от направления регулирования, активаторов или репрессор, в регуляторных последовательностей генов. На уровне трансляции считывания многих мРНК также регулируется присоединением белковых факторов [40], а деградация РНК и белков проводится специализированными белковыми комплексами [41].


4.6. Транспортная функция

Растворимые белки, участвующие в транспорте малых молекул, связывающих подходящий субстрат в одной части клетки или организма, например в местах высокой концентрации или при присутствии дополнительных регуляторных факторов и легко высвобождают его в местах низкой концентрации субстрата или там, где отсутствуют упомянутые регуляторные молекулы. Примером таких транспортных белков можно назвать гемоглобин, который переносит кислород из легких к остальным тканям и углекислый газ от тканей к легким, а также гомологичны ему белки, найденные у представителей других доменов живых организмов [42].

Схематическое изображение ионных каналов в мембране клетки

Некоторые мембранные белки участвуют в транспорте малых молекул через биологические мембраны, изменяя их проницаемость для этих молекул. Липидный компонент мембраны водонепроницаемый (гидрофобный), что предотвращает диффузии полярных или заряженных (ионы) молекул. Эти мембранные белки содержат внутренние каналы, которые позволяют таким молекулам перемещаться внутрь или наружу, и имеют возможность открывать или закрывать их по определенным условиям. Многие ионных каналов специализируется на транспорте только одного иона, так калийные и натриевые каналы различают эти похожие ионы и пропускают только один из них [43].

Многие другие мембранных белков переносят макромолекулы в отдельных отделов клетки. Например, при сортировке белков определенные сигналы новосинтезированных белков распознаются мембранными транспортерами, селективно пропускают их через мембраны. Особым примером систем переноса макромолекул через мембраны является механизм ядерного транспорта еукариотив, центральной частью которого является великий белковый комплекс ядерной поры, который пропускает небольшие незаряженные молекулы (до 30 кДа), тогда как большие по размеру белки требуют вспомогательных белков (кариоферинив). Например експортины помогают транспорта больших молекул, таких как зрелые мРНК, связываясь с ними в ядре, проходят в связанном состоянии через ядерные поры, и освобождают их в цитоплазме. Другие белки, импортины, участвуют в обратном процессе, помогая транспорта таких белков как факторы транскрипции и компоненты рибосом к ядру клетки.

Еще одной жизненно важной белковой транспортной система и есть электронтранспортных цепь, необходим в процессах фотосинтеза и клеточного дыхания. В результате работы этой системы, электроны переносятся через мембрану против электрического поля за счет энергии света или катаболической энергии, получаемой в цикле Кребса и при окислении белков и липидов. Энергия, сохраненная в форме разницы электрохимических потенциалов, используется другим белковым комплексом, АТФ-синтазы, для преобразования этой энергии в АТФ, форму, удобную для использования другими белками клетки.


4.7. Моторная функция

Функцией молекулярных моторов есть совершения механической работы в пределах клетки за счет химической или электрической энергии. Так моторные белки, подгруппа молекулярных моторов, перемещающих клеточные "грузы" вдоль филаментов. Моторные белки динеины и кинезины транспортируют молекулы и органеллы вдоль микротрубочек с использованием гидролиза АТФ как источника энергии. Динеины переносят груз из цитоплазмы в направлении центросомы, кинезины в противоположном направлении [44] [45]. Эта активность важна как для разделения хромосом в анафазе митоза при клеточном делении [46], так и для доставки важных молекул к местам их использования, часто очень отдаленных, как это происходит при Аксонный транспорте [47]. Другие моторные белки важны для жизненных процессов биосинтеза белков, в частности распускание ДНК ( топоизомеразы) и движении белковых комплексов вдоль ДНК ( полимеразы) и РНК ( рибосомы).

Моторные белки часто отвечают и за макроскопический движение организма. Например, синхронизированный движение многих молекул белка миозина вдоль микрофиламентов в составе саркомер приводит к сокращению мышц [48]. Для движения отдельных клеток используются другие молекулярные моторы, например, моторы жгутиков, ворсинок и других соответствующих органелл клетки, однако многие механизмы локомоции клеток остаются неизвестными.

Кроме передвижение объектов, молекулярные моторы участвуют и в ряде других важных для клетки процессов. Наприкдад, вирусный упаковочный мотор достявляе синтезований вирусный геном (РНК или ДНК) к вирусному капсида [49], а электромотор F 0 - субъединица АТФ-синтазы - перерабатывает энергию, полученную за счет разницы электрохимических потенциалов на мембранах митохондрий (у эукариот) или цитомлазматичний мембране (у прокариот), на механическое движение, что используется другой субъединицей комплекса (F 1) для синтеза АТФ - главного топлива клетки.


4.8. Запасная (резервная) функция

В некоторых системах классификации выделяется отдельная группа белков, выполняющих главным образом, резервную и пищевую функцию. Однако, почти все белки используются в организме как источник аминокислот. Утверждение, что резервная является главной функцией какого-то белка может оказаться необоснованным просто из-за недостатка знаний. Например, изучение овальбумина (основного компонента яичного белка) показало, что он не только служит источником сырья, но также участвует в транспорте ионов металлов и может играть защитную роль, вызывая аллергию у животных, в том числе у человека.

Пищевые белки молока - казеина отличаются от большинства других (нормальных) белков тем, что они не образуют твердой пространственной структуры и скорее напоминают денатурированные белки. В кишечнике казеина разрезаются протеазой и коагулируют на стенках. Высвобождение пептидов и аминокислот с коагулированной белка происходит медленно, подпитывая организм в период между кормлениями. Кроме пищевой казеина молока были обнаружены и другие важные функции. Короткие пептиды, которые выходят из казеина под действием кишечных протеаз могут модулировать сорбцию аминокислот стенками кишечника, давление и свертываемость крови, иммунную реакцию, а также иметь сильные опиодных свойства. Таким образом белковая диета служит не только источником аминокислот, а имеет гораздо более глубокое влияние на организм.


5. Исследование белков

5.1. Химический синтез белков

Короткие белки могут быть синтезированы химическим путем с помощью группы методов, которые используют органический синтез, - например, химическое лигирование [50]. Большинство методов химического синтеза проходят в направлении от С-конца к N-концу, в отличие от биосинтеза. Таким образом можно получить короткий иммуногенной пептид ( эпитоп), необходимый для получения антител путем инъекции в животных или получения гибридом; химический синтез также используется для получения ингибиторов некоторых ферментов [51].

Химический синтез позволяет вводить в сладу белков искусственные аминокислоты, т.е. такие, которые не встречаются в обычных белках, - например, присоединять флюоресцентные метки к боковым аминокислотных цепочек. Однако современные (2008 год) химические методы синтеза неэффективны при длине белков, превышает 300 аминокислот, кроме того, искусственные белки могут иметь неправильную третичную структуру, а в аминокислот искусственных белков отсутствуют посттрансляционной модификации.


5.2. Выделение и очистка белков

Установка для ексклюзийнои хроматографии. Буфер поставляется через колонку (справа) с помощью насоса, который контролируется компьютером.

Для осуществления анализа белков in vitro, белки нужно очистить от других клеточных компонентов. Этот процесс обычно начинается лизиса клетки, при котором клеточная мембрана разрушается и внутреннее содержимое клетки высвобождается в раствор, который называется незрелым лизаты или клеточным экстрактом. Результирующая смесь может быть частично очищенная с помощью ультрацентрифугирования, которое фракционуе различные клеточные компоненты во фракции, содержащие растворимые белки, мембранные липиды и белки, клеточные органеллы и нуклеиновые кислоты. С помощью методов преципитации или высаливания можно сконцентрировать белки из этого экстракта. На следующем шаге для изоляции белка или белков используются различные типы хроматографии, основанные на таких характеристиках белков, как молекулярный вес, удельный заряд (например, высокоэффективная жидкостная хроматография) или родство к связыванию ( адсорбционная хроматография). Уровень очистки может контролироваться, используя различные типы гелевого электрофореза, если известны молекулярная масса белка и его изоэлектрическая точка, спектроскопические методы, если белок имеет заметные спектроскопические особенности, или испытания ферментативной активности, если белок имеет ферментативную активность. Дополнительно, белки могут быть изолированы на основе их электрического заряда с помощью изоэлектрической фокусировки [52].

Для природных белков обычно необходима серия из нескольких шагов очистки, чтобы получить белок достаточно чистый для применения лабораторных методов. Для упрощения этого процесса используется генная инженерия, с помощью которой можно добавить белкам химические особенности, которые делают белки легче для очистки без изменения их структуры и активности. Например, к белкам добавляют специфические последовательности аминокислот, часто серии остатков гистидина ("His-метка"). Как следствие, когда экстракт проходит через колонку никелевой хроматографии, остатки гистидина связываются с колонкой, тогда как незамеченные белки проходят ее без помех.


5.3. Исследование функций и механизмов работы белков

5.3.1. Биохимические методы

Для изучения биохимической активности ферментов используются многочисленные биохимические методы, имеющих общее название испытаний ферментативной активности ( англ. enzyme assays ). Эти методы в большинстве случаев проводятся in vitro и ставят целью измерения изменения количества переработанного субстрата белка или количества созданных продуктов реакции. Непрерывные методы обычно привлекают использования оптических методов, таких как изменение оптической плотности раствора или его флюоресценции, если известны оптические свойства субстратов или продуктов реакции, или измерения выделено тепла при реакции. Если эти свойства тяжелые для измерения часто применяются хроматографические или радиографические методы. Хроматографические методы (например, гелевый электрофорез, высокоэффективная жидкостная хроматография) используются для разделения продуктов реакции, после чего они могут быть визуализированы с помощью других методов. Радиографические методы привлекают использования радиоактивных маркеров (обычно одного из атомов в субстрате, замененного на его радиоактивный изотоп), легко визуализировать с помощью фотографических методов, чувствительных к радионуклидов.

Преимуществом методов in vitro обычно есть возможность выделить один или несколько компонентов, которые исследуются, то изучать их активность, упрощая систему за счет устранения других компонент, обычно присутствующих в клетке, которые могут влиять на протекание реакции.


5.3.2. Методы генной инженерии

С помощью одного из методов генной инженерии - направленного мутаганезу (site directed mutagenesis) - исследователи могут изменить аминокислотную последовательность белка таким образом, что его структура, клеточная локализация и восприимчивость к регулированию меняются. Таким образом можно исследовать эффект таких изменений на функционирование всей клетки, определяя естественную роль белка и партнеров, с которыми он взаимодействует.

Распространенным применением метода является полное устранение гена (gene knock-out), кодирующий данный белок, и исследование эффекта отсутствия активности этого гена на клетку. Часто, когда белок, отвечающий за определенную функцию, неизвестный, проводится так называемый генетический скрининг, когда с помощью транспозонов, которые вставляются в геном в случайных местах, можно получить мутантов с соответствующим фенотипом, а затем найти положение транспозонов, которое вызвало мутацию. Установленные таким образом белки часто называются по названию мутантного фенотипа, что наблюдается.


5.3.3. Оптические методы

Белки в различных частях клетки и клеточных структур, меченые с помощью зеленого флюоресцентного белка (белый).

Исследование белков in vivo часто требует определения локализации этих белков в пределах клетки. Хотя белки синтезируются в цитоплазме или на мембранах эндоплазматического ретикулума (в эукариот), после этого много белков направляются в специфицних органелл или клеточных структур, где они выполняют свою функцию, что не всегда возможно предсказать с помощью анализа структуры белка. Таким образом, полезным методом исследования роли белков является анализ локализации этих белков в клетке. Для осуществления такого анализа в живых клетках використовуюься причудливые белки, к которым прилагается " репортер" , например зеленый флуоресцентный белок ( англ. green fluorescent protein, GFP ). Локализация такого странного белка может быть точно определена с помощью флюоресцентной микроскопии, как показано на картинке.

Другой метод исследования локализации белков - имунофарбування - привлекает использование флюоресцентные меченых антител против исследуемого белка, которые связываются с ним у убитых и зафиксированных клетках.

Часто красители связывают с белками с помощью биохимических методов, таким образом, что они метят специфические белки в точно определенных местах, и полегрують детекцию таких белков. С помощью метода флюоресцентного резонансного переноса энергии (FRET) энергия возбуждения переносится с одного красителя (или флюоресцентного белка) на другой, когда они находятся в непосредственной близости друг от друга [53]. Таким образом можно определять партнеров из белок-белкового взаимодействия или исследовать оптическими методами, в которой конформации находится белок в настоящее время. С помощью метода восстановление флуоресценции после фотознебарвлення (FRAP) краситель обесцвечивается в определенной части клетки, после чего флуоресценция может постепенно восстанавливаться, если до этого места попадают новые флуоресцентные белки. В зависимости от скорости этого процесса можно определить скорость транспорта белка в клетке или определить части клетки, физически отделены от других.

Многие исследования проводятся на уровне отдельных белков. Так, метод флюоресцентной корреляционной спектроскопии (FCS), который измеряет корреляцию флюоресценции во времени от небольшой (около 0,2 микрона) участки, позволяет детекцию отдельных молекул внутри клетки и определение их мобильности, которая зависит от размера белка и его связывание с другими белками и частями клетки [54]. На уровне отдельных белков (обычно in vitro) может использоваться и метод FRET, что позволяет исследовать движение частей белка при выполнении им своей функции.


5.3.4. Механические методы

Используются и несколько механических методов воздействия на белки. Так с помощью лазерных [55] и магнитных щипцов [56] и атомного силового микроскопа [57] [58] можно прикладывать силы в отдельных частей отдельных белков, и исследовать их влияние на активность белка, в другом режиме можно наблюдать механическое движение частей белка друг относительно друга. Это важно для дослиждення движения молекулярных моторов и движения частей фермента при исполнении им каталитической реакции [59].

Исследование отдельных белков имеет значительное преимущество по сравнению с объемными методами том, что состояние каждого белка может быть разным, а средние значения, измеренные в объеме, часто не дают информации о разподил значений свойств между отдельными белками.


5.3.5. Вычислительные методы

Для исследования функции белков щироко застововуються и методы моделирования или математической биологии. Из-за сложности биохимических путей клетки часто трудно определить эффект стекла на багатобилковои системы на функционирование клетки. Например, методы математического моделирования были эффективными для определения механизма работы АТФ-синтазы [60] [61] или для выяснения механизма работы Min-системы, которая отвечает за размеры дочерних клеток при делении бактерии Escherichia coli [62].

Часто методы математического моделирования важны и для установления эффекта небольшого числа белков в клетке (много белков работают в каждой клетке лишь в нескольких экземплярах) и флуктуации числа этих белков.


5.4. Определение структуры белков

Кристаллы белков размерами от 0,1 до 1 мм для кристаллографии. Фотография в поляризованном свете.

Подавляющее большинство известных структур белков (около 90% в Банка данных белков) были определены с помощью рентгеновской кристаллографии. Этот метод позволяет определить трехмерной структуры электронной плотности белка в кристаллизованного состоянии, и таким образом вывести координаты атомов в 3-х измерениях с определенным уровнем разрешения, до примерно 0,5 в лучшем случае. Около 9% известных структур определены с помощью ЯМР-спектроскопии, что также позволяет получения структур высокого разрешения. В последнее время также набирает популярность криоэлектронной микроскопия, как очень быстрый, хотя и низькоточних, метод определения структур белков. Ее разрешение уже снизилась до менее чем 5 , и обещает еще улучшиться в ближайшее время. Хотя этот метод и не способен определить расположение отдельных аминокислот или детали вторичной структуры, он широко применяется для исследования больших белковых комплексов.


5.5. Протеомика и биоинформатика

Сравнение аминокислотных последовательностей белков, в данном случае гемоглобинов, различных организмов позволяет определять участки, важные для функционирования белков, а также эволюционную историю сравниваемых видов.

Полный набор белков, которые в конкретный момент присутствуют в клетке, определенном типе клеток или в организме, называется протеома, а исследование больших наборов данных об этих белки и связи между ними называется протеомикой, которая была названа по аналогии с геномики. Главные экспериментальные методы протеомики включают: масс-спектроскопию, что позволяет быстрое отождествление высоких количеств белков и установление пептидной последовательности, белковые микрочипы, позволяющие одновременное определение относительных количеств большого числа белков в клетке, двогибриднои скрининг, позволяющий систематическое исследование белок-белкового взаимодействия (устанавливая их полную систему - интерактив) и другие. Систематические попытки определения структуры белков и всех возможных состояний каждого белка называются структурной геномики.

Сейчас доступно большое количество данных о последовательности генома и последовательности и структуры многих белков различных организмов, в частности геном человека, что позволяет исследователям эффективно идентифицировать гомологичные белки в связанных организмах с помощью выравнивание последовательностей. Большое число инструментов проверки последовательностей позволяет выполнять ряд манипуляций с последовательностями, например составлять карты участков рестрикции, находить открытые рамки считывания в нуклеотидных последовательностях и предусматривать вторичную структуру белков. Другие инструменты, например Clustal, позволяют составления филогенетических деревьев и проверку эволюционных гипотез о происхождении организмов и генов. Чрезвычайная количество имеющихся данных привел к развитию биоинформатики, отрасли знаний, которая собирает, обозначает и анализирует данные геномики и протеомики, применяя вычислительные методы решения биологических задач, таких как поиск генов и кладистика.


5.6. Предсказание структуры белков

Кроме структурной геномики, существует область исследований, которая занимается предсказанием структуры белков и стремится развить эффективные методы создания правдоподобных моделей белков, структуры которых были определены экспериментально. Успешный вид предсказания структуры, известный как моделирование гомологии, использует известную структуру "матрицы" с похожей последовательностью в моделируемого белка; задачей является только найти отличия и предусмотреть, яки образом они повлияют на структуру. Хотя создание точных моделей остается очень сложным, если доступны только приблизительно подобные "матрицы", считается, что узким местом метода является выравнивание последовательностей. Это подтверждается тем, что в случае "совершенного" выравнивания могут быть получены очень точные модели [63]. Многие методы предсказания структуры предназначены для использования в новой области проектирования белков, уже позволила спроектировать несколько новых типов белковых структур [64]. Сложнее вычислительная проблема - предвидение межмолекулярных взаимодействий, таких как молекулярный докинг и предсказание белок-белкового взаимодействия.

Основным методом предсказания структуры белков и белок-белкового взаимодействия является симуляция процессов свертывания и связывания белков с использованием методов молекулярной динамики. Вообще эти методы требуют огромных вычислительных ресурсов. Для удовлетворения этой потребности создаются семейства быстрых современных суперкомпьютеров Blue Gene. Как альтернативу исследователи все больше используют распределенные вычисления, такие как проект Folding @ Home ("сворачивание дома"). Сворачивание маленьких спиральных областей белков, например "головки" Вилино [65] и вспомогательные белка ВИЧ [66] уже удалось успешно просимулюваты с атомной точностью in silico, а гибридные методы, комбинирующие методы молекулярной динамики с методами квантовой химии, позволили просимулюваты электронные состояния родопсина [67].


5.7. Проектирование белков

Важной областью исследований современных молекулярной биологии и генной инженерии стало не только изучение белков, созданных природой, или комбинирование их в искусственных белках, но и проектирование принципиально новых белков с нужными свойствами. Методы проектирования белков можно разбить на две основные группы: рациональное проектирование и направленную эволюцию.

В методе проектирования белков работа зачастую начинается с нахождения природного белка с известной структурой, ближайшего по свойствам нужного, после серии таких мутаций можно получить новый белок [68]. Хотя небольшие изменения активно вносятся в белки с середины 1980-х годов, сейчас стало возможным конструювиты относительно сложные белки, например, рецепторы новых соединений [69], и конструировать белки de novo, без использования природного шаблона [70].

В альтернативном методе направленной эволюции используется подобный необходимого природный белок, к которому прилагаются случайные мутации, а в результате сконструированного испытания отбираются лучшие экземпляры. Этот процесс может быть повторен многократно, часто с добавлением рекомбинации частей различных успешных белков (аналог гомологической рекомбинации). Преимуществом метода является ненужность каких-либо знаний о структуре и методах работы белка, однако его недостатком является невозможность легкого получения некоторых белков в больших количествах и рекомбинантные манипуляции с ними [71] [72].


6. Использование человеком

6.1. Питание

Борщ - источник разнообразных денатурированных растительных и животных белков.

Белки поступают в организм вместе с едой и служат основным источником аминокислот. Обязательное использование белков в пище обусловлено потребностью в незаменимых аминокислотах, которые не могут синтезироваться человеком из других веществ. Пищеварение начинается с кислотной денатурации белков в желудка - необходимой стадии для кулинарно необработанной пищи. Денатурированные белки становятся субстратом для протеаз, сначала в желудке, а затем в слабощелочной среде тонкого кишечника. Продукты протеазный расщепления - короткие пептиды и аминокислоты всасываются энтероцитами расположенными в эпителии тонкого кишечника. Основным транспортером ди-и трипептид служит мембранный белок Pept1, через который проходит 65-80% всех всасываемый человеком аминокислот. Активный перенос пептидов белком Pept1 осуществляется за счет одновременного транспорта протонов. Pept1 находится в двенадцатиперстной и пустой кишках, и в меньшей степени, в подвздошной кишке. Pept1 был обнаружен в толстом кишечнике только в новорожденных. Другие 20-35% аминокислот всасываются энтероцитами с помощью набора аминокислотных транспортеров различной специфичности. Весь процесс всасывания белковых продуктов длится около четырех часов.

В энтероцитах часть пептидов расщепляется до отдельных аминокислот. Затем аминокислоты и пептиды переправляются транспортерами через противоположную мембрану и разносятся по всему телу с током крови. Аминокислотные питания других клеток организма происходит с помощью мембранных транспортеров аминокислот, а также заглатывание и протеазный расщепление внешних белков и пептидов. Для предотвращения избыточных потерь аминокислот из организма в почках происходит всасывание пептидов и аминокислот из крови в целом похоже на всасывание этих веществ в тонком кишечнике.

Смесь для наращивания мышц ( США) содержит белки молочной сыворотки.

Регуляция транспорта и метаболизма аминокислот - сложный, еще не достаточно изученный процесс. В нем принимают участие различные системы организма, в том числе нервная система, отвечающая за формирование чувства голода и сытости в головном мозге. Интерес к механизму белкового пищеварения проявляют не только физиологи и диетологи. В медицинской практике возникают вопросы, связанные с персональной аллергией к некоторых белков. В сложных случаях разрабатываются специальные белковые диеты. В некоторых случаях используют смеси чистых аминокислот. Пептидные транспортеры пищеварительной системы и почек активно изучаются фармакологами, поскольку ряд лекарств всасывается и удерживается в организме за счет Pept белков. Белковые и аминокислотные смеси вызывают интерес у спортсменов с целью наращивания мышц. Следует отметить, что усвоение чистых аминокислот организмом сильно отличается от обычного переваривания различных белков пищи.


6.2. Белковые лечебные препараты

Значительное количество исследований в медицине направлено на использование белков в качестве терапевтических препаратов и средств диагностики заболеваний. Фармацевтическое применения белков началась с природных белков полученных из разнообразных живых организмов. Новые препараты создаются искусственно, рекомбинантными методами или с помощью проектирования белков. Биофармацевтические препараты, которые находят широкое применение, включают белки крови (например, для лечения гемофилии), тромболитических ферменты, гормоны, цитокины и факторы роста, белки иммунной системы ( интерфероны и антитела, используемые для лечения инфекционных заболеваний и некоторых видов рака) и вакцины.

Стремление к победе любой ценой толкает некоторых спортсменов, культуристов и спецназовцев к употреблению белковых лекарств, способствующих выносливость и роста мышц. Самыми популярными являются эритропоэтин и гормон роста человека. Применение этих препаратов запрещено во многих соревнованиях, но скандалы с известными спортсменами появляются ежегодно. Фармацевтические белки, как и другие лекарства, могут представлять угрозу здоровью.


6.3. Использование в промышленности

Среди всех белков в пищевой промышленности активно используются многочисленные ферменты. Так, в пекарной промисловисти используются альфа- амилаза и протеазы, у пивоварении используются многочисленные ферменты ячменя ( амилаза, глюканаза, протеазы) целлюлазы и пектиназу используются для освещения соков; химозин, липаза и лактаза используются для изготовления кисломолочных продуктов, а папаин применяется для смягчения мясных продуктов. Для изготовления крахмала используют амилазу и глюкоамилазы, а для изготовления бумаги - целлюлазы и ксиланазу. Также протея-и липолитические ферменты часто дадаються к моющим средствам.

Другим использованием белков является использование фибриллярных белков для изготовления волокон, используемых, в частности, текстильной промисловисти [73]. Другие применения включают использование белков в ряде технологических процессов в химической промышленности, создание биосенсоров и другие.


код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам